Свободна лаборатория · Математика · 12–16 години

Графиката на пълненето

Кранът пуска едно и също количество вода всяка секунда. Как расте височината на водата във времето? Нарисувай прогнозата си, после пусни водата и провери.

Тясно – стръмно, широко – полегато

Всяка секунда в съда влизат например 20 mL. Колко ще се вдигне нивото от тях, зависи от ширината на съда на това място. В широко място водата се разлива по голяма площ и нивото се вдига малко. В тясно място същите 20 mL вдигат нивото много.

Затова наклонът на графиката „височина – време“ е скоростта, с която се качва водата – колко сантиметра за една секунда. Стръмна графика – водата се качва бързо, съдът е тесен. Полегата графика – водата се качва бавно, съдът е широк.

Шестте съда

Всички са високи 20 cm. Кранът пуска 20 mL за секунда.

Графиките на съдовете при 20 mL за секунда
СъдГрафикатаСредата на височината идва следПълен след
Цилиндърправа50 % от времето78,5 s
Конична колбаизвива се нагоре73 % от времето54,5 s
Чаша, която се разширява нагореизравнява се27 % от времето54,5 s
Ваза с талиякато легнало S50 % от времето40,8 s
Съд на две стъпаладве прави с чупка80 % от времето70,7 s
Кръгла колбастръмно, полегато, накрая почти отвесно91 % от времето47,6 s

Графиката не е картина на съда

Вазата с талия е тясна в средата, но графиката ѝ не е тясна в средата. Тя е като легнало S: полегата долу, най-стръмна в талията (водата там се качва 6 пъти по-бързо, отколкото на дъното) и пак полегата горе.

Кръглата колба се пълни бавно около 44 секунди, а после тясното гърло се пълни само за около 3 секунди: графиката накрая е почти отвесна. В гърлото водата не „спира, защото е тясно“ – тя лети нагоре.

Половината височина не е половината време

Само в съд, който е еднакво широк навсякъде, водата стига средата на половината време. В коничната колба долната половина е широка и побира почти три четвърти от водата. Затова при половината време водата е едва на около 5,9 cm, а средата идва чак на 73 % от времето.

Какво мени кранът и какво – не

  • Два пъти по-силен кран – съдът се пълни за половината време, а графиката е същата, само свита два пъти по времето. Формата на графиката зависи само от съда.
  • Времето за пълнене е обемът, разделен на дебита. Чашата, която се разширява нагоре, и коничната колба са огледални и побират еднакво вода. Графиките им са съвсем различни, но двете се пълнят за едни и същи 54,5 секунди.

Под капака

За тънък слой вода обемът е площта на повърхността по дебелината на слоя. Затова

скорост на качване = Q : (π · r²)

Тук Q е колко милилитра влизат за секунда, а r е радиусът на съда на нивото на водата. В съд на две стъпала горе радиусът е два пъти по-малък, площта – четири пъти по-малка, и водата се качва четири пъти по-бързо.

Какво опростява моделът

Дебитът е постоянен, водната повърхност е равна (без вълни), стените нямат дебелина, а съдовете са идеални форми, избрани за ясни графики. Изпарението и пръските за една минута са пренебрежими. Оценката на рисунката („Отлично“, „Близо“, „Още не“) е правило на играта.

Опит у дома

Вместо кран наливай равни порции с мерителна чаша (например по 50 mL) и след всяка порция мери височината с линийка. Броят на порциите е „времето“ – графиката е същата. Опитай с бутилка, която се стеснява нагоре.

  • Ползвай пластмасови съдове, не стъклени – стъклото може да се счупи.
  • Ползвай вода със стайна температура, не гореща.
  • Дръж разлятата вода далеч от контакти, зарядни и уреди и изтрий пода веднага, за да не се подхлъзне никой.
  • Ако режеш пластмасова бутилка, нека възрастен направи разреза.