NATURSKOLEBLADET Nr 71

Med hjälp av olika lekredskap på en lekplats kan man uppleva, och lära om, kraft och rörelse. Hela kroppen blir aktiv i ett sådant lärande. I detta naturskoleblad vill vi ge några exempel på enkla undersökningar som kan göras på de flesta lekplatser. Texten har tagits fram i samarbete med Nationellt resurscentrum för fysik (www.fysik.org).

Vad är krafter?
Kraftbegreppet infördes av Isaac Newton i slutet av 1600-talet. Det berättas i legenden att Newton hörde ett äpple dunsa i marken medan han satt i tankar, och att dunsen ledde in hans tankar på att försöka förstå hur krafter verkar. Hans forskning handlade bl.a. om jordens dragningskraft och planeternas rörelser.
Begreppet kraft används idag inom fysiken för att förklara och beskriva hur och varför olika föremål rör sig. En kraft har storlek och riktning. För att ett föremål ska ändra fart och/eller rörelseriktning krävs att en kraft verkar på föremålet.
Här kommer exempel på några vanligt förekommande lekredskap, och krafter som kan upplevas på dessa.

Klätterställning
Klättra upp och släpp olika par av föremål och jämför hur snabbt de faller till marken. Vad tror du kommer att hända? Faller alla föremål lika snabbt? Tag med olika föremål och prova. En elev kan stå uppe på klätterställningen och släppa par av föremål samtidigt medan resten av gruppen står på marken och observerar.
Släpp en tom uppochnedvänd vattenmugg med hål i bottnen, samtidigt med en utan hål. Vad händer? Undersök vidare genom att konstruera fallskärm till något av föremålen, med t.ex. kaffefilter eller muffinsformar.
Hoppa från klätterställningen med en rättvänd full vattenmugg. Vad händer? Kan du tänka ut några andra saker att hoppa med eller släppa?

En av naturkrafterna i universum är gravitationen. Den kallas även dragningskraft eller tyngdkraft. Det är gravitationen som gör att allting dras mot jordens mitt, så att vi inte ramlar av jordens yta. Man vet inte riktigt hur gravitationen uppstår, bara att olika föremål dras till varandra.
Alla föremål skulle falla lika fort om de endast påverkades av gravitationen (jordens dragningskraft). Det kallas för fritt fall. Nära jordens yta påverkas ett fallande föremål också av luftmotståndet. Prova att släppa ett papper och en boll tillsammans. Vad händer om du knycklar ihop pappret och släpper det tillsammans med bollen?

Balansbom
Låt eleverna gå på en balansbom och testa hur mycket de kan luta sig i sidled innan de ramlar ner. Vad är det som gör att man ramlar ner? Låt dem förklara vad som händer dels när de hittat jämvikten och dels när de förlorar balansen.

Gravitationen (=tyngdkraften) påverkar varje liten del av ett föremål, men det är som om summan av alla de små tyngdkrafterna påverkar föremålet i en viss punkt, som kallas tyngdpunkten. För föremål med enkel form är det lätt att hitta tyngdpunkten. I till exempel en rak brädbit är tyngdpunkten i mitten.
Om du går på en balansbom måste din kropps tyngdpunkt vara precis över bommen för att du ska kunna hålla dig kvar. När du har händerna ut från kroppen strävar du efter att hitta jämvikten och placera tyngdpunkten över bommen.

Gungbräda
Prova först hur det känns att lyfta en kompis en halv meter rakt upp. Orkar du? Prova sedan med att be samma kompis sätta sig längst ut på en gungbräda, och jämför hur det känns att lyfta denne genom att pressa ner den andra änden av gungbrädan.
Låt eleverna gunga med personer som väger lika mycket och med personer som inte väger lika mycket. Försök att få jämvikt. Vem av er väger mest? Be dem förklara vad som händer.

En gungbräda är uppbyggd som en hävstång, ett viktigt verktyg för kraftutväxling redan under forntiden. Med hjälp av hävstångsprincipen kan man lyfta ett tungt föremål med en mindre kraft, genom att kraften verkar över en längre väg.
När du gungar gungbräda med någon kan du hitta jämvikten genom att den som du gungar tillsammans med väger lika mycket som du själv. Samma tyngd på båda sidorna, och på samma avstånd från brädans fästpunkt, ger upphov till jämvikt. Om du ska kunna gunga gungbräda med någon som väger mer än du själv behöver du kunna ändra hävstångens längd för att kunna hitta jämvikten.
När två personer har hittat läget för jämvikt och den ena personen berättar hur mycket han/hon väger, så kan man beräkna den andra personens vikt. Fundera på hur man gör det!

Gunga
Hur får gungan fart? Beskriv hur du gör för att gunga.
Låt eleverna förklara för varandra hur det känns att gunga. Be dem att blunda och känna efter var de känner sig tyngst respektive lättast. I vilket läge är farten som högst respektive lägst?
Om man håller en flaska eller ett glas som har några cm saft, eller annan vätska i botten, mot gungans sits (i linje med kedjan) - Hur tror du då att vätskeytan kommer att stå när du gungar? Prova om det stämmer med din gissning.
Ta tiden det tar för gungan att pendla från ett läge och tillbaks igen (en period).
Undersök vad det är som avgör hur lång tid det tar. Kan du tvinga gungan att gunga med kortare eller längre period?
Prova t.ex. med att starta gungan olika högt upp från marken (med olika stor amplitud). Jämför perioden då man sitter ner i gungan med att stå upp i den. Prova också med olika personer i gungan, samt med att göra kedjorna kortare.
Om gungställningen har mer än en gunga så kan man göra ovanstående undersökningar genom direkt jämförelse utan tidtagning. Detta kallas ibland att "gunga tvilling". Kan du själv gunga tvilling med en tom gunga? Kan du gunga tvilling med en kompis om en av er sitter och en av er står upp?

När du gungar ändrar rörelsen hela tiden riktning, och kroppen känner av accelerationskrafter som försvagar eller förstärker upplevelsen av gravitationen (=tyngdkraften). När man är högst upp där gungan vänder är farten lägst och man känner sig nästan tyngdlös. När gungan är närmast marken är farten som högst och man känner sig då mycket tyngre. Ibland kallas detta för G-kraft.
Gungans period beror inte på massan och mycket litet på amplituden. Gungans period beror på pendelns längd. En pendel med längden en meter har en period på omkring två sekunder. Eftersom svängningstiden beror på pendellängden är det svårt att gunga "tvilling" med en tom gunga om man själv står upp, för då flyttas ju tyngdpunkten så att pendeln blir kortare!

Rutschkana
Låt eleverna leta upp olika saker med olika former och ytor som de sedan ska låta glida ner i rutschkanan. Innan eleverna släpper iväg föremålen kan de få gissa vilket de tror kommer att komma snabbast nerför kanan.
Jämför vad som händer när man rullar olika föremål. Fyll t.ex. en flaska med vatten, en annan likadan flaska med sand och låt en tredje likadan flaska vara tom. Vilken flaska rullar snabbast ned? Glöm inte att först gissa vad du tror kommer att hända.

Låt eleverna själva åka nedför rutschkanan. Undersök om det spelar någon roll om kanan är torr eller fuktig. Har det någon betydelse vilka kläder man har på sig?
Man kan komplettera med tidtagning, vilket är lättare i en lång rutschkana. Mät sträckan av kanan. Rulla ned en boll, ta tiden och beräkna medelhastigheten för bollen. Jämför olika bollar och andra föremål för att se vilken/vilket som är snabbast.
Om man har en rutschkana som slutar strax ovan marken kan man släppa en boll och iaktta hur den fortsätter ett stycke framåt. Hur långt kommer den? Låt bollen starta från olika höjd, och gör en tabell och ett diagram över hur sträckan bollen färdas innan den landar beror på starthöjd. Hur väntar du dig att sambandet skall se ut?

Friktion är en kraft som uppkommer mellan två ytor som är i kontakt med varandra, och den beror på ytornas små ojämnheter. Man kan använda rutschbanan för att undersöka hur hög eller låg friktionen är mellan olika ytor. Det vill säga hur lätt ett föremål glider på ett underlag.
Friktionen gör också att runda föremål börjar rulla, eller rotera. Vattnet i flaskan följer inte med lika mycket i rotationen som sanden. Därför rullar vattenflaskan snabbare.
Bollar som är kompakta rullar lite snabbare än sandflaskan. Bollar som har all massa i ett skal rullar långsammare.

Karusell och piruett
De gamla lekplatskarusellerna, som lät oss uppleva många fysikbegrepp i hela kroppen, har på många ställen ersatts av lekplatspiruetter av olika slag. Be en elev ta fart själv eller låt en kamrat hjälpa till. Låt eleverna undersöka vad som händer med rotationen när de drar in armarna mot kroppen. Vad händer när de i stället låter kroppen hänga så långt ut de kan med raka armar?
Låt en kula falla fritt mot sanden under, dels med piruetten i vila, dels under rotation. Hur mycket flyttas nedslagsplatsen? Åt vilket håll?
Låt en elev som roterar i piruetten prova att kasta en boll till en stillastående person.

Då armarna förs in mot kroppen i en piruett så ökar hastigheten. Förklaringen handlar om det s.k. rörelsemängdsmomentets bevarande. När kroppens massa omfördelas ändras radien till rotationscentrum. Rörelsemängdsmomentet bevaras då genom att hastigheten förändras. Minskar radien snurrar man fortare, och tvärtom. Man kan också prova med en snurrstol och hålla två tunga böcker i händerna som man drar in eller släpper ut. Dansarens eller konståkarens piruetter och simhopparens volter är andra exempel på rörelsemängdsmomentets bevarande.
I en roterande karusell eller piruett kan man uppleva en kraft, som vill dra en utåt. Den kallas för centrifugalkraft. Egentligen handlar det om en inåtriktad centripetalkraft som håller kroppen kvar i cirkelbanan. Den kan t.ex. komma från friktion och från dina armar som du håller dig fast med.
Ett föremål som lämnar ett roterande system med en viss fart och riktning fortsätter rakt fram i samma riktning. Det påverkas dock genast av andra krafter, t.ex. gravitationen och luftmotståndet, vilket gör att föremålets fart och/eller rörelseriktning ändras.

Fortsätt gärna att utmana er själva på lekplatsen med hjälp av egna undersökningar utifrån elevernas frågor!