Ahoj Danieli,

děkujeme za dotaz do naší poradny i za důvěru, že se nám podaří pomoci s tvým úkolem. Snad poprvé mám pocit, že jsem se stal členem nějakého výzkumného týmu, tak se mi snad podaří přispět svou trochou do mlýna 😉

V principu jde o jednoduchý a fyzikálně velmi hezký úkol. K tomu, abychom kouli vyzvedli musíme vykonat nějakou práci a tato práce se využije na její potenciální energii. Hodnotu potenciální energie spočítáme snadno pomocí vzorce Ep=m.g.h, kde m je hmotnost koule, g je tíhové zrychlení (9,81 m/s2) a h je výška, do které jsme ji zvedli. Když kouli pustíme, bude se její výška snižovat a tím bude klesat i její potenciální energie. Protože se energie nemůže nikam ztratit (zákon zachování energie), bude odpovídajícím způsobem zvyšovat rychlost a tedy i kinetická energie koule – tu zjistíme ze vztahu Ek=1/2.m.v^2. V nejnižším bodě bude potenciální energie koule nulová (beru to tak, že výšku měříme od nejnižšího polohy koule a ne od povrchu Země), takže kinetická energie koule dole bude mít stejnou hodnotu jako potenciální energie nahoře. Stačí si tedy dát oba výše uvedené vztahy do rovnice a jsme schopni spočítat rychlost koule dole (pro laika je možná zajímavé, že rychlost nezávisí na hmotnosti koule, ale tomu jsme se v předchozích odpovědích věnovali, takže to čtenáře naší poradny jistě nepřekvapí). Pomocí uvedených vztahů zjistíme tedy energii koule při nárazu i její rychlost při dopadu na sklo. Zbývá jen určit velikost síly, kterou koule působí na sklo. Jsou dvě možnosti – použít 2. Newtonův zákon, nebo vyjít z hodnot energie.

Pomocí 2. Newtonova zákona zjistíme sílu, kterou působí na sklo tak, že budeme znát rychlost koule před (v1) a po nárazu (v2) a dobu, jak dlouho náraz trval (F=m.a=m.(v2-v1)/t). Rychlost před nárazem víme, rychlost po nárazu by šla určit podobným způsobem – zjistíme do jaké výšky koule vystoupala (jistě níže), určíme její potenciální energii a z ní zjistíme rychlost.

Druhá, fyzikálně stejně správná, možnost je, že zjistíme práci, jakou koule vykonala při průchodu sklem (kolik práce vynaložila na jeho rozbití) a ze vztahu W=F.s zjistíme velikost síly F. Písmenkem s označuji tloušťku skla. Hodnotu práce zjistíme jednoduše rozdílem Ep před puštěním a Ep po průchodu sklem.

Pokud bych měl takovýto experiment navrhnout já, tak bych pouštěl kouli z různých výšek (průběžně bych zvyšoval výšku) až do situace, kdy koule sklo rozbije. Pak se celá její energie spotřebovala na rozbití skla (zastaví se po nárazu do skla) a snadno bych ze vzorce W=F.s dosazením Ep za W zjistil velikost síly (ta vychází v Newtonech).

Vztahy pro kinetickou i potenciální energii pak můžeme využít při předvedení skla – např. můžeme určit, jakou rychlostí by měl být hozen kámen, aby rozbil sklo (pokud se jedná o sklo do vitrín), nebo z jaké výšky by musela na sklo dopadnou lahev s vodou, aby došlo k jeho rozbití (sklo na stole).

Na závěr jen upřesním, že vše výše uvedené platí v ideálních podmínkách (bez tření a odporu vzduchu), ale tyto jevy bych v tomto případě považoval za marginální.

Doufám, že se mi podařilo navést tvůj úkol správným směrem a měření budou úspěšná.