Zakaj Golf Ball Compresses Kot spomladi-dokler se Shatters


Gledal sem ta čudovit videoposnetek, kako udariti žogice za golf, dokler ne uspejo. To je video posnetek z ekipo YouTubers Destin Sandlin (pametnejši vsak dan) in Markom Roberjem. V videu, Destin in Mark želita ugotoviti, kako težko lahko udariš žogo za golf. Ne, kako težko vas lahko udaril, ali celo, kako bi lahko udaril najboljši igralec golfa v vesolju. Želeli so najti zadetek, ki je bil tako trden, da je uničil žogo. OPOZORILO ZA SPOJLER – uničili so žogo za golf.

Ampak tukaj je kul del. Če udarite žogo kot normalni človek, se žoga ob stiku z golf klubom stisne. Med tem stiskanjem krogla v bistvu deluje kot vzmet. Da, stisnjen je za zelo kratek čas – potem pa se vrne v svoj prvotni položaj. To imenujemo elastična kompresija. Vse vzmeti v uvodni fiziki so (verjetno) v tej kategoriji elastične kompresije (ali raztezanja). Pravzaprav gre za to, kar je Hookov zakon. To je model za silo, ki jo izvaja vzmet, ki pravi, da je sila vzmeti sorazmerna s stisnjeno ali raztegnjeno vzmetjo. Kot enačba izgleda tako:

Rhett Allain

V tem izrazu Fs je sila, ki jo izvaja izvir, s je znesek stiskanja in k je vzmetna konstanta – merilo togosti vzmeti. V tej enačbi boste pogosto videli negativen znak. Nekateri ljudje so ga postavili, da poudarijo, da je sila v nasprotni smeri odseka. Ampak naj bom jasen. Vse ne sledi Hookovemu zakonu – ni pravzaprav zakon, ampak bolj kot smernica (dejansko je to znanstveni model). Obstaja nekaj objektov in nekaj situacij, v katerih objekt deluje ne morajo imeti linearno razmerje med silo in raztezanjem.

Če pa žogico za golf preveč stisnete, se ne vrne v prvotno stanje. Namesto tega se razbije tako, da se deformira. Še vedno ima spomladanske lastnosti, vendar ni enako kot prej. Drugače je. To se imenuje plastična deformacija. Kot primer si zamislite, da imate nekaj gline. Če ga preveč stisnemo, se bo deformiral in bo v novi obliki. Ne bo se obnašalo enako, kot preden ste jo stisnili.

Seveda je lahko predmet elastičen in plastičen; klasičen primer je skupni papirni sponki. Vzemite eno in jo potegnite narazen, tako da bo videti tako.

Rhett Allain

Destin v videu razlaga elastične in plastične lastnosti papirne sponke z grafom, ki je podoben temu.

Rhett Allain

To je lepa vizuala, ki kaže glavno točko – če potisnete sponko predaleč, se bo premaknila v elastično območje. To pomeni, da se ne bo vrnil v isti začetni položaj, ko boste odstranili silo, drugače bo. Precej vsakega materiala na določeni točki prehaja v plastično regijo. Kaj pa, če naredimo takšen graf v resničnem življenju? Ja. To bom storil. Uporabljala bom celo sponko.

Rhett Allain

Izgleda osnovno, vendar pa bi moral narediti trik. Imam sponko z enim koncem, ki drži mirujočo s kleščami. Drugi konec sponke je pritrjen na sondo s silo in na rotacijsko zaznavalo gibanja. Sonda za merjenje sile bo očitno izmerila silo – senzor vrtilnega gibanja bo dejansko izmeril premik. S poznavanjem polmera kolesa lahko spreminjam kotni položaj v linearni položaj. Kombinacija teh dveh senzorjev mi bo dala graf sile proti položaju. Izgleda, kako izgleda.

To je nekako zapleteno gledanje teh podatkov. Ne pozabite, da je to sila proti položaju – ne kaže časa. Če pa uporabite svojo domišljijo, lahko vizualizirate, kaj se zgodi. Ko se le malo stisne, se posnetek premakne navzgor v tisti del parcele, ki sem ga obkrožil kot "elastičen". Samo gre naprej in nazaj na isti liniji, ki sledi podatkom. To je normalna pomlad. Toda ko jo preveč pritisnete, se vrne v drugo regijo z drugačnim končnim položajem. Da, deformiran je.

Toda zelo pomembna stvar pri tej ploskvi – elastična regija ni območje pod krivuljo (modra stvar v Destinovem primeru). Ne. Elastični del je samo črta.

Če ste ugotovili naklon katerega koli dela teh podatkov, bi to dalo efektivno konstanto vzmeti (k) za sponko. Opazimo, da je naklon v plastičnem območju precej podoben nagibu elastične regije. Dejansko bo ta sponka še vedno dobro obnašana (elastična), vendar z drugačno dolžino.

Kaj pa tradicionalni izvir fizike? Kot vrsta, ki jo uporabljate v laboratoriju za fiziko. Kaj se zgodi, če je eden od teh preveč oddaljen? Tukaj je podobna sila proti položaju za pomlad.

Opazite, da je bila v tem primeru vzmet raztegnjena veliko še več kot ta sponka. Pravzaprav gre za približno 10 centimetrov dolgo do skoraj meter. Že takrat je komaj šla v plastično regijo. Tudi, ker se je spomladi »obnašalo«, je nekoliko lažje najti vzmetno konstanto. Iz vzpona linearnega prileganja je ta pomlad konstantna okoli 8,6 newtonov na meter – tudi po tem, ko je bila delno uničena. Res, to je super. Veste, da študenti v laboratoriju za fiziko zlorabljajo te vrelce (ne zares namenoma). Toda tudi potem, ko se preveč raztegnejo, jih lahko še vedno modeliramo s Hookejevim zakonom.

Kaj pa tista golfska igra v videu od Destina in Marka? Ne. Ta stvar je izginila. Tudi žoga, ki ostane nedotaknjena, se ne bo obnašala kot žoga, ki je bila pred udarcem.


Več Great WIRED Stories