Magiczna szpula

Co tu można zrobić
Umieść szpulę w połowie długości podstawy. Odwiń ze szpuli około metra taśmy. Miejsce, w którym taśma traci kontakt ze szpulą, powinno znajdować się na dole szpuli.
  1. Delikatnie pociągnij taśmę, trzymając ją tak, żeby tworzyła mały kąt z poziomem. Co obserwujesz? W którą stronę toczy się szpula?
  2. Spróbuj teraz delikatnie ciągnąć taśmę, trzymając ją tak, żeby tworzyła duży kąt z poziomem. W którą stronę teraz toczy się szpula?
  3. Spróbuj sprawić, aby szpula ślizgała się bez toczenia.


Dlaczego tak się dzieje
Na ruch szpuli składa się nie tylko jej ruch postępowy, ale także obrotowy. Nasze oddziaływanie na taśmę szpuli jest równoznaczne z oddziaływaniem pewną siłą na szpulę. Odległość punktu przyłożenia siły od osi obrotu to tzw. ramię siły. W omawianym przypadku chwilowa oś obrotu znajduje się w miejscu, w którym szpula styka się z podłożem. W ruchu obrotowym powstaje tzw. moment siły – kierunek jego wektora pokrywa się z osią obrotu szpuli, a zwrot zależy od wzajemnego ustawienia przyłożonej siły i ramienia tej siły. Jeżeli oś obrotu szpuli (punkt zetknięcia z podłożem) znajduje się dokładnie na przedłużeniu części taśmy, za którą szpula jest ciągnięta, to moment siły nie działa, a szpula ślizga się bez obrotu (patrz rysunek b.). Jeżeli kąt między torem szpuli a naciągniętą taśmą jest większy niż w omawianym wcześniej przypadku, to moment siły powoduje oddalanie się szpuli (rysunek a.), natomiast jeżeli kąt ten jest mniejszy, to moment siły powoduje zbliżanie się szpuli (rysunek c.).


Ciekawostki
Wiadro z wodą można wyciągnąć ze studni za pomocą kołowrotka. Aby było to możliwe, moment siły, jaką działamy na kołowrotek, musi co najmniej równoważyć moment siły ciężkości wiadra z liną. Gdy działająca siła jest prostopadła do jej ramienia, to wartość momentu siły jest równa iloczynowi wartości siły i odległości miejsca jej przyłożenia od osi obrotu. Ponieważ korba, na którą działamy siłą, znajduje się dalej od osi obrotu niż lina z wiadrem, więc możemy działać mniejszą siłą, niż gdybyśmy linę z wiadrem ciągnęli bezpośrednio.