Flummoxed sila in gibanja? Preizkusite ta eksperiment fizike


Sediš v razredu fizike, delaš na tradicionalnem problemu, ki vključuje sile in pospešek, ko začnete spraševati, kje so ti pojmi celo prišli. Ali so samo sanjali, da so mučili študente ali pa imajo globlje povezavo z resničnostjo? Študija fizike je seveda vrsta znanosti in vse vede zbirajo eksperimentalne podatke za izdelavo modelov. Sile in pospešek se ne razlikujejo.

Seveda že poznamo razmerje med silo in pospeševanjem. Vidite ga v vseh vaših fizičnih knjigah. V eni dimenziji dobimo naslednji matematični model.

To pravi, da mora biti skupna sila na objektu enaka produktu mase predmeta in njenemu pospeševanju. Zdi se jasno, da bi lahko samo uporabili silo in merili pospešek, da bi pokazali, da je ta model resničen (in bomo).

Mnogi ljudje radi imenujejo ta model "Newtonov drugi zakon o gibanju", vendar menim, da predstavlja napačno idejo. Ne le Newton, ki je razmišljal o vlogi sile. Na tem problemu so se ukvarjali tudi drugith stoletje (Galileo, Hooke, Leibniz) in vsi so pomembno prispevali.

Ampak kako bi lahko zgradili ta model s silo in pospeševanjem? Ni preveč težko dobiti vrednosti za pospeševanje premikajočega se objekta z merjenjem razdalje in časa. Kaj pa sile? Kako lahko oba uporabite konstantno silo na objektu IN naj ostane konstantna?

Eden od načinov za ustvarjanje stalne sile je gravitacijska sila – samo pustite, da stvari padejo. Seveda je ta vrsta pomirja vaš eksperiment, saj spremenite tudi maso predmeta. Torej s temi problemi sta morala Newton in drugi graditi ta model sile s pomočjo drugih sredstev. Teoretični pristop so uporabili z uporabo podatkov iz gibanja planetov, ki krožijo okoli Sonca. Če luna kroži okoli Zemlje z enako vrsto interakcije, da Zemlja krožita okoli Sonca, mora biti pospešek predmeta odvisen od njegove mase.

To je v bistvu, kako so zgradili model sile gibanja v 17. stoletjuth stoletje. Ampak tega vam zdaj ni treba storiti. Ta model lahko preverite z uporabo sodobnejših orodij. Evo, kako deluje.

Konstantna sila s spreminjajočo se maso

Sprejmo nizko torno kolo in uporabimo konstantno silo. Kako to storiš? To ni preveč težavno, vendar pomaga, da bi imeli enega od teh ventilatorjev na baterije, ki se držijo v vozičku. Tukaj izgleda tako.

Meritev moči senzorja lahko izmerim, tako da ga vklopim in pustim, da se potisne proti sondi sile. S tem se zdi, da potisne s silo okoli 0,2 Newtonov (vaš ventilator se lahko razlikuje). Resno rad uporabljam te oboževalce. Ne dajejo vedno najboljših podatkov, vendar je zelo jasno, da na vozičku stalno deluje sila.

Prav tako lahko najdem maso voziča in ventilatorja – približno 0,898 kilogramov. Ostala je le pospešek. Kako določite pospešek gibljivega ventilatorja?

Iskreno, obstaja veliko načinov za to. V nizki tehnološki različici pustite voziček približno 10 centimetrov in uporabite štoparico, s katerim beležite čas. Nato začnite in pustite voziček 20 cm in zabeležite čas. Naj to delajo na daljše razdalje, dokler vam ne bo dolgčas ali zmanjka poti. Nato lahko poiščete pospešek, tako da naredite položaj proti kvadratu časa – vendar tega ne želim storiti. Za eno meritev traja predolgo.

Druga pogosta možnost je, da uporabite detektor gibanja z zvočnim pogonom. To je v bistvu naprava, ki pošilja impulz zvoka. Zvok potuje proti vozičku in se odraža nazaj na detektor. Glede na čas, ki ga potrebuje impulz, da gre tja in nazaj skupaj s hitrostjo zvoka, lahko najdete razdaljo do vozička. Ker gre za računalniški sistem, lahko to meritev ponovite približno 50-krat v eni sekundi, da dobite podatke o časovnem položaju. S temi podatki ni preveč težko najti pospešek.

Torej, tukaj bom naredil. Pustil bom ventilatorju, da bi ga pospešil. Potem bom izmeril pospešek (lahko uporabite katerikoli način, ki vam je všeč). Ko bom pospešil, bom začel znova in naredil to znova. Ampak naslednjič bom dodal maso v voziček. To lahko ponovim čim večkrat, kot mi je všeč. Imam podatke za pospešek in maso.

Zdaj za zabaven del. Želim pokazati, da deluje model sile (F = ma). Namesto da bi izračunal zahtevano silo, želim narediti graf. Kaj bi lahko naredil, da bi ustvaril linearno funkcijo? Ne, ni sila nasproti mase. To ne bi delovalo. Za izdelavo linearnega grafika potrebujete funkcijo, ki je videti tako:

Da, to ste verjetno že videli. Če načrtujete "y" v primerjavi s "x" (kjer te spremenljivke lahko predstavljajo precej nič), bi to bilo ravno črto, pri čemer je m naklon in b y-prestrezanje. V tej obliki nimamo spremenljivk za maso in pospeševanje, zato moramo tako izgledati. Kaj, če naredim malo algebre in ponovno napišem enačbo sile kot to:

Boom. To je to. V tej obliki je lažje videti, da bi se s tem, da se načrtuje pospešek nasproti eni masi, razmerje mora biti linearno. Ampak počakaj! Še več. Ne gre za linearno ploskev, temveč tudi, da mora biti pobočje smiselno. V tem primeru mora biti naklon te funkcije neto sila (ki sem jo merila).

Zdaj za dejansko parcelo.

Ja, to izgleda precej linearno. Tudi naklon ima vrednost 0,191 kg * m / s2 ali 0,191 Newtonov. To je precej blizu moje izmerjene vrednosti za silo od ventilatorja. Srečen sem. Oh, če še vedno želite načrtovati maso in pospešek, vas pozivam, da to storite. To je najboljši način, da razumete, da ni linearna ploskev.

Konstantna masa s spreminjajočo se silo

Zdaj za naslednji poskus. Kaj, če obdržim maso vozička konstantno in samo spremembo moči sile? Priznala bom, da to ni tako enostavno, kot bi želel – vendar je mogoče storiti. Ventilator, ki ga uporabljam, deluje na štirih AA baterijah – če ga poganjate s samo 3 baterijami, bo imela zmanjšano silo. Vendar lahko na ta način pridobite samo nekaj podatkovnih točk. Namesto tega bom dodal upor v vezje in še vedno bom uporabil 4 baterije. Nato s povečanjem upora bom dobil zmanjšano silo. Oh, tudi jaz bom uporabil 5 baterij – samo za zabavo.

Toda kaj naj naredim? Zdaj, če spremenim silo in merim pospešek, bi moral imeti možnost, da naredim ploskve sile proti pospeševanju. Toda kakšen bi moral biti nagib? Pojdi naprej in razmisli o tem, medtem ko naredim to ploskev. Tukaj je.

Če izmerite naklon te črte, dobiš vrednost 0,99, toda kaj to pomeni? Tu je namig, poglejte enote. Ja, naklon ima enote. V tem primeru gre za spremembo navpične spremenljivke (sile), deljene s spremembo vodoravne enote (pospešek). Sila se meri v enotah Newtonov, kjer je 1 N = 1 kg * m / s2. Torej, če to delite s pospeševanjem v enotah m / s2, dobiš kilogram. Ja, to je masa. Nagib te linije mora biti masa vozička in ventilatorja. V tem primeru imam izmerjeno maso 0,89 kg, kar je nekoliko izklopljeno. Vendar pa mislim, da težava izhaja iz zelo majhnih vrednosti sile, ki sem jo uporabila v tem poskusu. Še vedno pa deluje precej.


Več velikih WIRED zgodbe