Ako používať newtonovu kolísku?
Je to veľmi podobné tomu, ako gravitácia premieňa kinetickú energiu loptičiek v kolíske na potenciálnu energiu a ako gule prechádzajú kinetickou energiou a hybnosťou prostredníctvom vysoko elastických kolízií.
Newtonova kolíska je zariadenie, ktoré slúži zároveň ako ozdoba stolu a nástroj na vysvetlenie základných základov fyziky. Je konštruovaný tak, že na spoločnú tyč je namontovaná séria loptičiek na šnúrky. Obvykle je prítomných 5 loptičiek, a keď je jednej dovolené zasiahnuť ostatné, energia sa prenáša z jedného konca na druhý. Bez ohľadu na to, či ste učiteľ, študent alebo len zvedavý človek, veľa ste sa mohli dozvedieť o fyzikálnych pojmoch len hrou s Newtonovou kolískou.
Časť 1 z 3: Použitie newtonovej kolísky
- 1Začnite potiahnutím 1 lopty. Čím viac budete loptu ťahať späť, tým viac jej dodáte potenciálnej energie. Táto potenciálna energia sa vytvára, pretože ste posunuli loptu do vyššieho bodu a teraz má potenciál pri uvoľnení spadnúť.
- 2Uvoľnite loptu. To umožní pád loptičky a premenu jej potenciálnej energie na kinetickú. Ďalšou dôležitou vecou je, že lopta naberie na obrátkach. Táto hybnosť, rovnako ako energia, nemôže jednoducho zmiznúť, keď lopta dosiahne dno. Musí sa zachovať.
- 3Sledujte, ako sa energia a hybnosť prenášajú z prvej lopty do poslednej. Nakoniec je to zábavná časť Newtonovej kolísky. Keď prvá loptička dosiahne dno a zasiahne druhú guľu, zastaví sa. Hybnosť a kinetická energia, ktorú loptička získala pri páde, sa prenáša strednými loptičkami a prechádza do poslednej gule, ktorá sa odkloní od ostatných loptičiek.
- 4Sledujte cyklus, ktorý ste vytvorili. Hybnosť a energia sa budú naďalej prenášať z lopty na jednej strane kolísky na loptu na druhom konci. Postupne sa energia a hybnosť rozptýlia. To bude zrejmé z toho, že maximálna výška loptičiek je zakaždým o niečo nižšia ako predtým.
- Akonáhle sa posledná lopta vychýli hore a preč od ostatných, gravitácia jej nedovolí jednoducho tam zostať. Dosiahne vrchol, ktorý je takmer rovnako vysoký ako počiatočná výška prvej lopty.
- V tomto mieste lopta premení všetku svoju kinetickú energiu na potenciálnu energiu. Pokles späť dole premieňa potenciálna energia späť na kinetickú energiu a hybnosť, potom prenesie tieto chrbát stredom guľou do prvej.
- Teraz sa prvá loptička opäť rozbehne a kolobeh pokračuje dlho.
- 5Experiment vyladíte stiahnutím 2 loptičiek. Hybnosť sa rovná hmotnosti, ktorá sa pohybuje, krát krát rýchlosť (nie rýchlosť), ktorou sa pohybuje. Pretože túto hybnosť je potrebné zachovať, 2 loptičky na konci budú odtlačené od stredovej gule namiesto iba 1. Okrem dvoch loptičiek na každom konci v pohybe bude cyklus pokračovať rovnako, ako keby ste stiahli 1 loptičku.
- 6Bavte sa experimentovať. Skúste urobiť 3 alebo 4 loptičky a uvidíte, čo sa stane. Môžete tiež viac alebo menej potiahnuť loptičky, aby ste vyladili množstvo energie, s ktorou začínajú. Ak to necháte, môže vás to chvíľu baviť.
- Tip: Počet loptičiek, ktoré vytiahnete späť, bude rovnaký ako počet vyklopených na druhom konci.
Časť 2 z 3: Pochopenie (alebo výučba) fungovania newtonovej kolísky.
Časť 2 z 3: Pochopenie (alebo výučba) fungovania newtonovej kolísky
- 1Všimnite si, ako sa líšia potenciálna a kinetická energia. Potenciálna energia sa ukladá a vyplýva z polohy predmetu alebo usporiadania častí objektu. Potenciálnu energiu je možné previesť na kinetickú energiu. Kinetická energia pochádza z pohybu objektu.
- 2Ukážte, že energiu je potrebné šetriť pomocou kolísky. Neschopnosť vytvárať alebo ničiť energiu je ústrednou témou termodynamiky. To znamená, že akákoľvek energia, ktorú do systému zavediete (zdvihnutím prvej loptičky), musí byť v systéme zachovaná. To znamená, že energia sa musí ďalej pohybovať systémom, aj keď prvá loptička dosiahne dno a zastaví sa.
- Môžete to vidieť, keď posledná loptička dosiahne takmer rovnakú výšku ako prvá.
- 3Sledujte, že hybnosť je zachovaná aj v kolíske. Uchováva sa nielen energia systému, ale aj hybnosť. To je dôvod, prečo sa rovnaký počet loptičiek otáča na každej strane rovnakou rýchlosťou. Hybnosť nie je nič iné ako hmotnostný násobok rýchlosti, ktorou sa pohybuje.
- V prípade kolísky je možné hybnosť nájsť vynásobením rýchlosti, ktorou lopta padá z najvyššieho bodu, hmotnosťou lopty.
- 4Zamyslite sa nad tým, prečo posledná lopta nepokračuje vo svojej ceste nahor. Mohlo by sa zdať, že pretože hybnosť je zachovaná, že akonáhle posledná loptička odpáli preč od ostatných, bude pokračovať v cestovaní hore a dole. Teoreticky by sa to stalo, keby nebolo gravitácie. Gravitácia pôsobí na loptu, keď cestuje nahor, a spomaľuje ju. Keď sa to stane, kinetická energia sa premení späť na potenciálnu energiu a hybnosť sa zníži.
- Akonáhle lopta dosiahne svoju maximálnu výšku, gravitácia obráti úlohy a premení potenciálnu energiu na kinetickú energiu a hybnosť, ale v smere nadol namiesto v smere nahor.
- 5Uvedomte si, že kolíska sa zastaví. V ideálnom systéme by bola energia a hybnosť prenášaná tam a späť z jednej strany kolísky na druhú v nekonečnej hre na tag. Avšak, skutočný svet nie je taký, aký fyzika považuje za systém "ideálny". Trenie je sila, ktorá spomaľuje pohyb loptičiek.
- V tomto prípade brzdiaca sila trenia pochádza z kombinácie faktorov. Keď gule cestujú hore a dole, existuje malý odpor vzduchu. Pri vzájomnom náraze loptičiek dôjde aj k strate určitej energie na teplo. Aj zvuk, ktorý počujete, je vibrácia, ktorá pomaly vysáva energiu z kolísky.
To umožní pád loptičky a premenu jej potenciálnej energie na kinetickú.
Časť 3 z 3: Použitie princípov za newtonovou kolískou inde
- 1Odrážajte skákaciu loptu. Skákacie loptičky sú vyrobené z vysoko elastických materiálov, čo znamená, že keď narazia na povrch, nestratia veľa energie. Zrážka namiesto toho deformuje loptu (tým, že ju stlačí a zmení kinetickú energiu na potenciálnu energiu), a potom lopta pruží (alebo sa odrazí) späť do tvaru. Akt spätného odrazu do tvaru premieňa novoobjavenú potenciálnu energiu späť na kinetickú energiu, ibaže teraz je hybnosť v opačnom smere.
- Je to podobné tomu, ako gravitácia premieňa kinetickú energiu loptičiek v kolíske na potenciálnu energiu a ako gule prechádzajú kinetickou energiou a hybnosťou prostredníctvom vysoko elastických kolízií. Keď lopta ide hore, gravitácia na ňu pôsobí presne rovnako ako loptičky v Newtonovej kolíske.
- 2Zahrajte si hru biliard. Bazénové loptičky, podobne ako loptičky na Newtonovej kolíske, sú tvrdé a navzájom sa kontaktujú vysoko elastickým spôsobom. Energia sa do systému vkladá zasiahnutím tága tágom. Tá lopta cestuje, kým nenarazí na inú loptu a nezastaví sa. Hybnosť bielej gule sa zachová jej prihrávkou k cieľovej lopte a naopak pohybom cieľovej lopty po stole.
- 3Použite pogo palicu. Je to veľmi interaktívny spôsob, ako porozumieť týmto zásadám. Pogo palicu pracuje rovnakým spôsobom ako skákacie loptu viac či menej. Najväčší rozdiel je v tom, že ste na palici, takže niektoré z týchto síl môžete pri práci doslova cítiť!
Pád späť dole premieňa potenciálnu energiu späť na kinetickú energiu a hybnosť a potom ich prenáša späť cez stredné gule do prvej.
- Pri spätnom ťahaní loptičiek držte strunu pevne. Ak máte v reťazci vôľu, môže to ovplyvniť výsledky.
- Nepoužívajte Newtonovu kolísku v preplnenej kancelárii. Niektorým ľuďom to príde veľmi relaxačné; ostatným to príde veľmi dráždivé.
- Ak v Newtonovej kolíske použijete guľôčky rôznej hmotnosti, zásady stále platia, ale výsledky vyzerajú inak.
- Je to vynikajúci nástroj pre hodinu prírodovedy.
- Ak sa rozhodnete používať pogo palicu, noste prilbu a chrániče kolien a lakťov.
Prečítajte si tiež: Ako porozumieť klasickej mechanike?
Otázky a odpovede
- Ako môžem zabrániť tomu, aby sa kolíska zastavila? Skúšal som to niekoľkokrát.To je nemožné. Trenie a gravitácia nevyhnutne spomalia Newtonovu kolísku až do úplného zastavenia.
