Souhrnný sborník Veletrhu nápadů učitelů fyziky

O příspěvku

PDF ke stažení

Hrdý J.

Tento příspěvek popisuje princip funkce klasického rotopedu a možnosti jeho využití při výuce mechaniky na ZŠ popř. SŠ. Jedná se především o získání vlastní zkušenosti s realizací mechanické práce v návaznosti na další důležité fyzikální veličiny, jako je mechanická energie a mechanický výkon, ale také elektrická energie a elektrický výkon. Jsou rozvíjeny nejen kompetence výpočtu a srovnávání těchto důležitých fyzikálních veličin, ale také kompetence jejich odhadu a porovnávání na základě svých vlastních praktických zkušeností nebo zkušeností svých spolužáků.

Princip a základní rozdělení rotopedů

Pro zamýšlené použití by se dal v principu použít výrobek z některé z následujících tří skupin:

1. Cyklotrenažery (spinningová kola) jsou dnes určitou módou. Jsou určeny pro sportovnější charakter šlapání a jsou relativně dražší a hlučnější, než rotopedy. Pro zamýšlené použití nejsou příliš vhodné, protože šlapadla jsou často pevně spojená s masivním setrvačníkem (hlavně u levnějších modelů) a snadno tak může dojít k úrazu a navíc použití mechanické čelisťové brzdy neumožňuje s dostatečnou přesností zjistit množství vykonané mechanické práce (obr. 1)

2. Rotopedy používají k pohonu setrvačníku gumový řemen a jsou navíc obvykle vybaveny volnoběžkou. Jsou tedy úplně bezpečné i při laickém používání. Výhodou tohoto řešení je i naprosto tichý chod. Zátěž se nastavuje změnou polohy permanentního magnetu vzhledem k setrvačníku a toto řešení umožňuje zjistit množství vykonané práce s dostatečnou přesností. Klasické rotopedy jsou relativně levné a právě toto řešení bylo použito u popisovaných experimentů (obr. 2). U dražších modelů rotopedů se místo permanentního magnetu používá elektromagnet řízený počítačem, potom je nastavení zátěže velmi přesné (ergometry).

3. Eliptické trenažéry nahrazují kruhový pohyb šlapadel přirozenějším eliptickým pohybem a zároveň umožňují i zapojení rukou. Dokonalejší modely (ergometry) jsou však obvykle poměrně nákladné (obr. 3).

4. Kola přímo pohánějící elektrický generátor by pro zamýšlené použití byla samozřejmě nejlepší. V tomto případě by se místo přeměny mechanické práce na teplo vyráběla elektrická energie, která by mohla např. sloužit k napájení žárovky nebo k ohřevu vody. Podobné zařízení používá při svých propagačních akcích např. ČEZ. Pro školskou praxi je však uvedené zařízení příliš složité a drahé.

Jednotky cal a kcal

Tyto jednotky, které se dříve používaly pro měření množství tepla a které jsou již zakázané, se však stále používají při určování energetického obsahu potravin a proto výrobci rotopedů cejchují své výrobky často přímo v těchto jednotkách, aby cvičencům usnadnili a zrychlili vyhodnocení přínosu jejich pohybových aktivit.

Při našich fyzikálních úvahách se samozřejmě budeme držet platné normy, hodnoty odečtené z displeje rotopedu nejdříve převedeme podle tab. 1 na příslušné platné jednotky a teprve potom s nimi budeme dále pracovat.

Připomeňme si ale také původní definici 1 kcal jako množství tepla potřebného k ohřátí 1 litru vody o 1 °C (nebo precizněji: 1 kg destilované vody v kapalném skupenství o 1 K). Potom z uvedené tabulky můžeme ihned odvodit názornou představu, že 1 kWh je množství energie, která by ohřála 10 l vody o asi 86 °C (tj. např. z teploty 14 °C k bodu varu 100 °C), což můžeme využít při interpretaci výsledků pokusů s rotopedem.

Názorná interpretace některých výsledků získaných na rotopedu

Pokud vyvineme určitou konkrétní energii (např. pomocí zmíněného rotopedu), je pro výuku fyziky přínosem, když nalezneme srovnání (energetický ekvivalent) vykonané práce s nějakou známou situací z běžného života:

1. Práce 1 cal =  4,2 J = 4,2 Ws odpovídá 6 sekundám svitu žárovičky do kapesní svítilny (3,5 V / 0,2 A / 0,7 W).

2. Práce 10 cal = 42 J = 42 Ws odpovídá 16 sekundám svitu žárovičky do předního světla na kole (6 V / 0,45 A / 2,7 W).

3. Práce 100 cal = 420 J = 420 Ws odpovídá 7 sekundám svitu běžné síťové žárovky 60 W (230 V / 0,26 A / 60 W).

4. Práce 1 kcal = 4,2 kJ = 4,2 kWs = 1,163 Wh = 0,0012 kWh odpovídá asi 5 sekundám práce elektrické žehličky (230 V / 3,48 A / 800 W) nebo odpovídá ohřátí 1 litru vody o 1°C.

Při používání rotopedu si velmi rychle uvědomíme, jak ohromné množství energie reprezentuje jinak v praxi běžně používaná jednotka 1 kWh. Vyrobit takové množství energie je i pro trénovaného sportovce úmorná celodenní dřina.

Závodíme s Pendolinem

Pro zpestření a zvýšení názornosti je možné dát vyrobené množství energie na rotopedu do souvislosti s některými velkými strojními zařízeními. Aby se jednalo o všeobecně známé zařízení, byl vybrán rychlovlak SuperCity Pendolino (obr. 4). Nejdříve je ale třeba nějak přiřadit použitému výkonu hnacích elektromotorů příslušnou okamžitou rychlost vlaku. Protože potřebné závislosti se běžně neudávají a navíc by tyto údaje cílové skupině žáků problém spíše zkomplikovaly, vycházíme z této zjednodušené úvahy:

Při plném výkonu hnacích elektromotorů (4 000 kW) se Pendolino pohybuje maximální konstrukční rychlostí (230 km/h) [1]. Rozhodně se nedopouštíme žádné velké chyby, když výkonu 4 000 kW přiřadíme rychlost 230 km/h. Takovýto případ se může při určitém konkrétním zatížení, sklonu trati a rychlosti větru jistě v praxi vyskytnout.

Poznámka: Je třeba však připomenout, že na tratích ČD i na ostatních pozemních komunikacích u nás je maximální rychlost omezena na 160 km/h. To však nic nemění na předchozích úvahách.

Při maximálním výkonu elektromotorů 4 000 kW spotřebuje Pendolino za 1 s celkem 4 000 kWs = 1,111 kWh elektrické energie. Při maximální rychlosti 230 km/h ujede za 1 s dráhu asi 64 metrů. K ujetí dráhy 1 metru při této maximální konstrukční rychlosti spotřebuje energii 1,111 / 64 = 0,0174 kWh = 17,4 Wh = 15 kcal, což je energie snadno vyrobitelná na i na rotopedu.

Na závěr této kapitoly o Pendolinu je důležité možná ještě doplnit, že Pendolino může používat tři napájecí systémy (15 kV – 16,7 Hz / 25 kV – 50 Hz / 3 kV=) a že v bistro-vozu, který je řazen jako třetí (nejdříve dva vozy 1. třídy, potom uvedený bistro-vůz a nakonec čtyři vozy 2. třídy – platí to jen v případě, když Pendolino vyjíždí z Prahy směrem do Ostravy, Bratislavy nebo Vídně, při zpáteční jízdě je souprava otočená obráceně), je možné zakoupit i točené pivo, což je v našich vlacích vůbec poprvé. 

Závěr

Tento příspěvek je zaměřen k posílení praktických zkušeností a kompetencí v oblasti učiva o energii, práci a výkonu. I když školy samozřejmě nejsou vybaveny rotopedy, je možné uvedené příklady zadávat vybraným žákům jako domácí úkol, protože vybavení domácností rotopedy v současné době je poměrně značné. Pro získání zkušeností z použití rotopedů při výuce fyziky, které potom byly použity jako podklad pro napsání tohoto příspěvku, byly zakoupeny dva exempláře (kvůli možnosti soutěžení mezi žáky) jednoduchých rotopedů, které se staly součástí výstavy o Velikánech české vědy (Vlastivědné muzeum v Olomouci v roce 2007). Rotopedy měly na výstavě mezi návštěvníky velký úspěch, během trvání výstavy se na nich vystřídalo několik set žáků z nejrůznějších typů škol.

Literatura

[1] http://fitness.online-sport.cz/spinningova-kola

[2] http://fitness.online-sport.cz/rotopedy

[3] http://fitness.online-sport.cz/elipticke-trenazery

[4] http://www.scpendolino.cz/cs_CZ/pendolino/technicke-parametry/:/page.xhtml