1.2: 力と加速

1. 初期設定。

1. 空気トラックが 1 つの端に接続されているプーリーを持っています。グライダーの一端にヒモで結ぶし、滑車を介してそれを実行、吊り重量に接続されます。
2. 空気トラックに 190 cm マークにグライダーを配置します。100 cm マークにフォトゲート タイマーを配置します。グライダー自体は 200 の質量を持つ g. しがみついてグライダーが移動し、重量の合計の質量は 10 g に等しい、ぶら下げ最後にウェイトを追加しています。
3. 重みは、残りの部分からグライダーし、グライダーの速度を記録します。5 実行を行い、平均値をとる。
4. 式 2 式 3から実験値による加速の理論値を計算します。たとえば、グライダーは、200 グラムの質量を持つし、重りを吊るす質量 10 g方程式 2から、理論的な加速度がある場合は測定の速度が 0.95 m/s なら、式 3を使用して、加速の実験値は

2. グライダーの固まりを高めます。

1. 2 倍の質量をグライダーに重みの 4 つを追加します。
2. 残りの部分からシステムをリリースし、グライダーの速度を記録します。5 実行を行い、平均値をとる。式 2から、加速のため理論値と実験値、式 3からを計算します。

3. グライダーの力を増加しています。

1. 20 g の総質量をある吊り重量により多くの固まりを追加します。
2. 残りの部分からシステムをリリースし、グライダーの速度を記録します。5 実行を行い、平均値をとる。
3. 式 2から、加速のため理論値と実験値、式 3からを計算します。
4. 50 g の総質量をある吊り重量により多くの固まりを追加します。
5. 残りの部分からシステムをリリースし、グライダーの速度を記録します。5 実行を行い、平均値をとる。
6. 式 2から、加速のため理論値と実験値、式 3からを計算します。

ニュートンの第二法則は、力と加速度の関係を説明しており、この関係は物理学と工学の多くの分野に適用される最も基本的な概念の1つです。

f equals ma は、ニュートンの第二法則の数式です。これは、より大きな質量の物体を動かすにはより大きな力が必要であることを示しています。また、特定の力に対して加速度が質量に反比例することも示しています。つまり、同じ力が加えられた場合、小さな質量は大きな質量よりも加速します

ここでは、ほぼ摩擦のないエアトラック上のグライダーに異なる大きさの力を加えることにより、ニュートンの第二法則を検証する実験を示します

実験の実行方法の詳細に入る前に、 データの分析と解釈に貢献する概念と法則を学びましょう。

セットアップは、エアトラック、グライダー、スタート地点から既知の距離dにあるフォトゲートタイマー、プーリー、およびグライダーからプーリー上を走るストリングで構成されています。

紐のもう一方の端に重りを取り付けて離すと、重りがグライダーに力を加え、グライダーが加速します。この力は、ニュートンの第二法則によって与えられます。同時に、ウェイトにかかる力は、重力加速度から落下するウェイトをグライダーに接続するストリングの張力を差し引いたものになります。この張力は、重量の質量にグライダーの加速度を掛けたものです。

グライダーにかかる力と重りにかかる力を等しくすることで、グライダーの加速度を理論的に計算する式を導き出すことができます。

グライダーの加速度を計算する実験的な方法は、フォトゲートタイマーを使用することです。これにより、グライダーが出発点からの距離dを移動するのにかかる時間が得られます。この情報を使用して、グライダーの速度を計算し、この運動学の公式の助けを借りて、実験加速度の大きさを計算できます。

原理を理解したところで、実際にこの実験を物理学研究室でどのように行うかを見てみましょう

前述のように、この実験では滑車を重りに通す線でつながったグライダーを使用します。グライダーはエアトラックに沿ってスライドし、空気のクッションを作り、摩擦を無視できるレベルまで減らします。

重量が下がると、プーリーはラインの張力をリダイレクトして、上部に長さ10cmの旗が付いたグライダーを引っ張ります。スタート地点から既知の距離にあるフォトゲートは、フラグが通過するのにかかる時間を記録します

グライダーの最終速度は、フラグの長さをフォトゲートを通過する時間で割ったものです。グライダーの最終速度と移動距離があれば、加速度を計算することができます。

フォトゲートタイマーをエアトラックの100cmマークに、グライダーを190cmマークに配置して実験を設定します。グライダーの質量は200グラムです。グライダーが動かないように持ち、吊り下げられた総質量も10グラム

になるように、ひもの端にウェイトを追加します。ウェイトが所定の位置に配置されたら、グライダーを放し、5回の走行でその速度を記録し、平均を計算します。グライダーの質量と吊り下げ重量を使用して、実験的および理論的な加速度を計算し、結果を記録します。

次に、グライダーにさらに4つのウェイトを追加し、その質量を400グラムに倍増させます。グライダーを190cmのマークに置いて、実験を繰り返します。グライダーを放し、5回の滑走でその速度を記録します。再度、平均速度と実験および理論加速度を計算して記録します。

最後のテストセットでは、グライダーからウェイトを取り外して、元の質量が200グラムになるようにします。次に、吊り下げられた質量に重りを追加して、新しい質量が20グラムになるまで取り付けます。さらに 5 回実行して、実験を繰り返します。

最後に、吊り下げられた塊にさらに重りを加えて50gまで増やし、さらに5回にわたって実験を繰り返します。

グライダーの理論上の加速度は、重力gによる加速度に、落下する重量の質量と重量とグライダーの質量を合わせた比率に等しいことを思い出してください。この表の理論値が示すように、グライダーの質量が増加すると加速度は減少します。

逆に、落下する重量の質量が増加すると、力が大きくなるため、加速度が増加します。この式で予測される加速度の最大値は g で、これは 9.8 メートル/秒の 2 乗であることに注意してください。

次に、実験的な加速度を計算する方法を見てみましょう。たとえば、最初のテストでは、200グラムのグライダーと10グラムのウェイトを使用しました。100センチ走行後の平均速度は秒速0.93メートルでした。前に説明した運動学方程式を使用すると、実験の加速度は 0.43 メートル/秒の 2 乗になります。この同じ計算を他のテストに適用すると、この表に示す結果が生成されます。

実験加速度と理論加速度の違いには、測定精度の限界、エアトラック上の摩擦が非常に小さいが完全に無視できない、グライダーの下のエアポケット(ストリングに沿った張力が増減する可能性がある)など、いくつかの原因が考えられます。

宇宙のほぼすべての現象に力が存在します。地上に降り立った力は、日常生活のあらゆる側面に影響を与えます。

頭を打つと、外傷や認知機能障害を引き起こす可能性があります。スポーツ関連の脳震盪の研究では、3軸加速度計を取り付けた特別なホッケーヘルメットを使用して、衝撃時の加速度を測定しました。

データはテレメトリーによってラップトップコンピューターに送信され、ラップトップコンピューターは後で分析するために測定値を記録しました。頭の加速度と質量がわかれば、ニュートンの第二法則であるF=maを使って脳への衝撃力を計算することができました。

歩道橋を建設する土木技師は、これらの構造物に対する足の荷重によって引き起こされる力の影響を研究することに関心を持っています。この研究では、研究者たちは歩道橋にセンサーを設置し、歩行者によって誘発される振動を測定しました。次に、構造応答は、これらの構造の安定性を研究する上で重要なパラメータである垂直加速度の観点から測定されました

JoVEの力と加速度の紹介を見てきました。これで、ニュートンの運動の第二法則を検証するラボ実験の背後にある原理とプロトコルを理解できたはずです。いつものように、ご覧いただきありがとうございます!