1.2: Force et accélération

1. première installation.

1. La voie d’air aura une poulie reliée à une extrémité. Attacher la chaîne à une extrémité de l’aile et l’exécuter dans la poulie, où elle sera connectée à la masse suspendue.
2. Placer l’aile à la marque de 190 cm sur la voie de l’air. Placer le minuteur de photogate à la marque de 100 cm. Le planeur lui-même a une masse de 200 g. agripper le planeur afin qu’il ne pas se déplacer et ajouter des poids à la fin de la suspension, afin que le poids de la masse total est égal à 10 g.
3. Une fois que les poids sont en place, libérer la voile reste et d’enregistrer la vitesse du planeur. Effectuer 5 séries et prendre la valeur moyenne.
4. Calculer la valeur théorique d’accélération à l’aide de l’équation 2 et la valeur expérimentale de l’équation 3. Par exemple, si le planeur a masse de 200 g et les poids suspendus ont une masse 10 g, puis l’accélération théorique, de l’équation 2, est si la vitesse mesurée est de 0,95 m/s, puis, à l’aide de l’équation 3, la valeur expérimentale pour l’accélération est

2. augmentation de la masse du chariot.

1. Ajouter quatre des poids de l’aile, ce qui va doubler sa masse.
2. Libérer le système reste et d’enregistrer la vitesse du planeur. Effectuer 5 séries et prendre la valeur moyenne. Calculer la valeur théorique pour l’accélération, de l’équation 2et la valeur expérimentale, de l’équation 3.

3. augmenter la force sur l’aile.

1. Ajouter plus de masse à la masse suspendue afin qu’il ait une masse totale de 20 g.
2. Libérer le système reste et d’enregistrer la vitesse du planeur. Effectuer 5 séries et prendre la valeur moyenne.
3. Calculer la valeur théorique pour l’accélération, de l’équation 2et la valeur expérimentale, de l’équation 3.
4. Ajouter plus de masse à la masse suspendue afin qu’il ait une masse totale de 50 g.
5. Libérer le système reste et d’enregistrer la vitesse du planeur. Effectuer 5 séries et prendre la valeur moyenne.
6. Calculer la valeur théorique pour l’accélération, de l’équation 2et la valeur expérimentale, de l’équation 3.

La deuxième loi de Newton décrit la relation entre la force et l’accélération, et cette relation est l’un des concepts les plus fondamentaux qui s’appliquent à de nombreux domaines de la physique et de l’ingénierie.

F égale ma est l’expression mathématique de la deuxième loi de Newton. Cela illustre qu’une plus grande force est nécessaire pour déplacer un objet d’une masse plus grande. Il démontre également que pour une force donnée, l’accélération est inversement proportionnelle à la masse. C’est-à-dire qu’avec la même force appliquée, les petites masses accélèrent plus que les masses plus grandes

Ici, nous allons démontrer une expérience qui valide la deuxième loi de Newton en appliquant des forces de différentes amplitudes à un planeur sur une piste d’air presque sans frottement

Avant d’entrer dans les détails de la façon de mener l’expérience, Étudions les concepts et les lois qui contribuent à l’analyse et à l’interprétation des données.

L’installation se compose d’une piste d’air, d’un planeur, d’une minuterie photogate à une distance connue d du point de départ, d’une poulie et d’une corde allant du planeur sur la poulie.

Si l’on attache un poids à l’autre extrémité de la corde et que l’on le relâche, le poids appliquera une force sur l’aile, ce qui le fera accélérer. Cette force est donnée par la deuxième loi de Newton. Dans le même temps, la force sur le poids sera due à l’accélération gravitationnelle moins la force de tension dans la corde reliant le poids en chute libre à l’aile. Cette force de tension est la masse du poids multipliée par l’accélération de l’aile.

En assimilant la force sur l’aile à la force sur le poids, on peut dériver la formule pour calculer théoriquement l’accélération de l’aile.

La façon expérimentale de calculer l’accélération du planeur est à l’aide du minuteur photogate. Cela nous donne le temps mis par le planeur pour parcourir la distance d depuis le point de départ. À l’aide de ces informations, on peut calculer la vitesse du planeur puis, à l’aide de cette formule cinématique, on peut calculer l’amplitude de l’accélération expérimentale.

Maintenant que nous comprenons les principes, voyons comment mener cette expérience dans un laboratoire de physique

Comme mentionné précédemment, cette expérience utilise un planeur relié par une ligne passant au-dessus d’une poulie à un poids. Le planeur glisse le long d’une piste d’air, ce qui crée un coussin d’air pour réduire la friction à des niveaux négligeables.

Au fur et à mesure que le poids tombe, la poulie redirige la tension dans la ligne pour tirer l’aile, qui a un drapeau de 10 cm de long sur le dessus. Une photoporte à une distance connue du point de départ enregistre le temps qu’il faut pour que le drapeau la traverse

La vitesse finale du planeur est la longueur du drapeau divisée par le temps de passage à travers la photoporte. Avec la vitesse finale de l’aile et la distance parcourue, il est possible de calculer l’accélération.

Configurez l’expérience en plaçant le chronomètre du photogate à la marque de 100 cm sur la piste d’air et le planeur à la marque de 190 cm. Le planeur a une masse de 200 grammes. Tenez le planeur de manière à ce qu’il ne bouge pas et ajoutez des poids à l’extrémité de la corde de sorte que la masse totale suspendue soit également de 10 grammes

Une fois les poids en place, relâchez le parapente, enregistrez sa vitesse pendant cinq passages et calculez la moyenne. Utilisez la masse du planeur et le poids suspendu pour calculer les accélérations expérimentales et théoriques, puis enregistrez les résultats.

Ajoutez maintenant quatre poids supplémentaires à l’aile, doublant ainsi sa masse à 400 grammes. Placez le planeur à la marque des 190 cm pour répéter l’expérience. Relâchez le planeur et enregistrez sa vitesse pendant cinq passages. Encore une fois, calculez et enregistrez la vitesse moyenne et les accélérations expérimentales et théoriques.

Pour la dernière série de tests, retirez les poids de l’aile afin qu’elle ait sa masse d’origine de 200 grammes. Ensuite, ajoutez des poids à la masse suspendue jusqu’à ce qu’elle ait une nouvelle masse de 20 grammes. Répétez l’expérience pendant cinq autres passages.

Enfin, ajoutez plus de poids à la masse suspendue jusqu’à ce qu’elle atteigne 50 grammes et répétez l’expérience pour cinq autres passages.

Rappelez-vous, l’accélération théorique de l’aile est égale à l’accélération due à la gravité g multipliée par le rapport entre la masse de la masse en chute et la masse de la masse et de l’aile ensemble. Comme le montrent les valeurs théoriques de ce tableau, l’accélération diminue à mesure que la masse de l’aile augmente.

À l’inverse, l’accélération augmente à mesure que la masse du poids en chute augmente, en raison de la force plus importante. Notez que les accélérations prédites par cette équation peuvent avoir une valeur maximale de g, soit 9,8 mètres par seconde au carré.

Voyons maintenant comment calculer l’accélération expérimentale. Par exemple, le premier test a utilisé un planeur de 200 grammes et un poids de 10 grammes. La vitesse moyenne après avoir parcouru 100 centimètres était de 0,93 mètre par seconde. En utilisant l’équation cinématique discutée précédemment, l’accélération expérimentale est de 0,43 mètre par seconde au carré. Ce même calcul, appliqué aux autres essais, produit les résultats présentés sur ce tableau.

Les différences entre les accélérations expérimentales et théoriques peuvent avoir plusieurs causes, notamment des limitations dans la précision des mesures, le frottement très faible mais pas complètement négligeable sur la piste d’air, et la poche d’air sous le planeur, qui peut augmenter ou diminuer la force de tension le long de la corde.

Les forces sont présentes dans presque tous les phénomènes de l’univers. Ramenées sur Terre, les forces affectent tous les aspects de la vie quotidienne.

Se frapper la tête peut causer un traumatisme et altérer les fonctions cognitives. Une étude sur les commotions cérébrales liées au sport a utilisé des casques de hockey spéciaux équipés d’accéléromètres à trois axes pour mesurer l’accélération lors de l’impact.

Les données ont été envoyées par télémétrie à des ordinateurs portables, qui ont enregistré les mesures pour une analyse ultérieure. Connaissant les accélérations et la masse de la tête, il a été possible d’utiliser la deuxième loi de Newton, F=ma, pour calculer les forces d’impact sur le cerveau.

Les ingénieurs civils qui construisent des passerelles s’intéressent à l’étude de l’effet de la force induite par la charge du pied sur ces structures. Dans cette étude, les chercheurs ont placé sur une passerelle des capteurs qui mesuraient les vibrations induites par les piétons. La réponse structurelle a ensuite été mesurée en termes d’accélération verticale, ce qui est un paramètre important dans l’étude de la stabilité de ces structures

Vous venez de regarder l’introduction de JoVE à la force et à l’accélération. Vous devriez maintenant comprendre les principes et le protocole de l’expérience de laboratoire qui valide la deuxième loi du mouvement de Newton. Comme toujours, merci d’avoir regardé !