Overview
Source : Andrew Duffy, Ph.d., département de physique, Université de Boston, Boston, MA
Cette expérience porte sur diverses situations impliquant deux objets qui interagissent.
Tout d’abord, l’expérience examine les forces que deux objets s’appliquent à un autre alors qu’ils entrent en collision. Les objets sont des bacs roulants qui ont une masse variable. Le but de cette expérience consiste à découvrir quand la force que la première charrette exerce sur l’autre est la même grandeur que la force que le deuxième chariot exerce sur le premier, ainsi que lorsque ces deux forces ont des amplitudes différentes.
Deuxièmement, il examine les forces que deux objets exercent sur eux lorsqu’un chariot est pousser ou tirer l’autre. Encore une fois, l’accent est mis sur l’explorer les situations dans lesquelles les deux forces ont la même grandeur et dans lesquels ils ont des amplitudes différentes.
Principles
L’objectif principal de cette étude est d’explorer la troisième loi de Newton.
L’appareil est constitué de deux chariots, chacune avec un capteur de force, monté sur le dessus (Figure 1). Les capteurs de force sont connectés à un ordinateur via une interface d’ordinateur dédié. Chaque capteur de force mesure la force exercée sur elle par l’autre capteur de force lors de la collision ou la situation de pousser/tirer.
Figure 1. Le menu de base. Les éléments clés de l’appareil sont les deux bacs roulants, chacune avec un capteur de force, monté sur le dessus et une interface d’ordinateur.
Procedure
1. collision Situations
- Visser un pare-chocs en caoutchouc (Figure 1) dans chaque capteur de force.
- La valeur de chaque capteur de force sur le paramètre 50-N.
- Zéro avant chaque essai, les capteurs de force en appuyant sur le bouton « Zéro » à côté de la flèche verte qui commence la collecte des données.
- Vérifier que le sens positif (c'est-à-dire, à droite) est défini correctement pour chaque capteur de force.
- Appuyez sur le capteur de force monté à droite du chariot ; Cela devrait aboutir à une lecture de force positive. Appuyez sur le capteur de force monté sur la gauche du chariot ; Cela devrait aboutir à une lecture de force négative.
- Si les deux sont mauvais, il suffit d’inverser la position du chariot.
- Si seulement on ne va pas, allez au menu « expérience » et sélectionnez « Installation capteurs. » Choisissez le capteur de force appropriée et sélectionnez « Sens inverse ».
- La première collision implique des charrettes de masse égale. Désigner un chariot pour être stationnaire avant l’abordage. Le panier d’autre auront une vitesse initiale vers le panier stationnaire afin que les charrettes entrent en collision.
- Cliquez sur le bouton de « Rassembler » (la flèche verte) avant de pousser un chariot envers l’autre. Donner un panier petit coup, relâchez la charrue et observer la collision. Valeurs de force maximale entre environ 8 et 20 N doivent être observées dans un essai typique. Ajuster la pression si les valeurs de force maximale sont beaucoup plus petits qu’ou beaucoup plus grande que cette plage.
- Après la collision, l’ordinateur affiche un graphique de « force / temps, » selon l’enregistrement de chaque capteur de force.
- Si les graphiques ne s’affichent pas, inversez le déclenchement.
- Après avoir frappé le bouton « Recueillir », aucune donnée ne figure en fait jusqu'à ce que l’un des capteurs de force enregistre une valeur au-dessus (ou au-dessous) un certain niveau de détente. Toutefois, si le seuil de déclenchement est défini à une valeur positive et le capteur de force est seulement donner des valeurs de force négative, ou vice versa, l’ordinateur ne sera jamais recevoir le signal de dire les choses pour enregistrer des données.
- Pour vérifier ou infirmer, le réglage de la détente, appuyez sur l’icône « Collecte de données » (immédiatement à la gauche du bouton « Zéro ») et sélectionnez l’onglet « Déclenchement ».
- Les deux options utilisées dans cette expérience sont « Augmentant entre 0,2 N » et « Diminutions entre -0,2 N. » Si l’un de ces paramètres n’est pas causer le déclenchement nécessaire, passer à l’autre.
- Dans la deuxième collision, le chariot fixe devrait avoir 2 - 3 fois la masse du chariot qui se déplace avant l’abordage. Pour ce faire, ajouter une ou plusieurs masses au panier stationnaire. Répétez le processus (voir la procédure ci-dessous).
- Désigner le chariot de masse plus élevée d’être stationnaire avant l’abordage.
- Cliquez sur le bouton « Récupérer » et pousser le panier inférieur-masse vers le chariot de masse plus élevée.
- L’ordinateur affiche les deux graphiques « force / temps ».
Dans la troisième collision, le chariot qui se déplace avant l’abordage devrait avoir 2 - 3 fois la masse du chariot fixe. Atteindre cet objectif en transférant le poids supplémentaire d’un panier à l’autre. Répétez le processus de la collision et collecte des données.
2. en poussant et en tirant des Situations
- Remplacer les amortisseurs en caoutchouc sur chaque capteur de force avec des crochets.
- Accrochez les charrettes ensemble pour permettre à un chariot à pousser ou tirer l’autre chariot.
- Inverser la condition déclenchante, tel que décrit à l’étape 1.8.
- Démarrer avec chariots de masse égale.
- Cliquez sur le bouton « Collect ».
- Soit tirer ou pousser un des charrettes pour qu’il tire ou pousse l’autre chariot, respectivement ou rock en arrière alors qu’il y a tant en tirant et en poussant se produisent.
- Donner le chariot étant tiré ou poussé 2 - 3 fois la masse de l’autre chariot. Répétez le processus de collecte de données.
- Enregistrer les données de « force / temps » pour ce scénario en poussant/tirant.
- Donner la charrue faisant le tirant ou poussant les 2 - 3 fois la masse de l’autre chariot. Répétez le processus de collecte de données.
- Enregistrer les données de la « force / temps » dans ce scénario en poussant/tirant.
Lois du mouvement de Newton constituent la base de la mécanique classique et décrivant la relation entre un objet et les forces qui agissent sur elle.
Par exemple, lorsqu’une fusée est au repos sur le pas de lancement avant le lancement, la fusée et le sol exercent forces égale-et-en face sur l’autre. Prendre off, ou quand la fusée dans l’espace, le gaz en expansion de la pousse de carburant brûlant contre la fusée et propulse vers l’avant. Moins évident, cependant, est que la fusée pousse contre le gaz en même temps. Ces phénomènes simples obéir aux lois de Newton du mouvement, bien que les forces au travail peuvent ne pas être évidents, parce que les forces ne sont pas toujours visibles.
Cette vidéo présentera les bases des lois de Newton du mouvement et ensuite démontrer le concept à travers une série d’expériences, mesurer les forces entre les deux bacs roulants dans diverses situations.
Lois de Newton du mouvement se composent de trois lois principales. La première loi est la plus simple, et les États qui un objet au repos reste au repos, à moins que par une force. De même, un objet en mouvement reste en mouvement à moins que suivies par une force. Plus précisément, si les forces nettes sur l’objet sont nulles, la vitesse de l’objet est constante, si la vitesse est nulle ou non. Toutefois, une force appliquée, par exemple de taper dans le ballon ou de frapper le mur, provoque la vitesse de l’objet à modifier.
Deuxième loi de Newton stipule que le taux de variation d’une vitesse d’objets, appelée accélération, est directement proportionnel à la force exercée sur elle. Le facteur de proportionnalité est la masse de l’objet lui-même.
En d’autres termes, si un objet s’accélère, il y a une force nette à ce sujet. Cette loi est conforme à la première loi, où le taux de variation de vitesse, son accélération - un objet est nul quand il n’y a aucune force nette appliquée.
Enfin, troisième loi de Newton stipule que les forces de deux objets agissant sur l’autre sont égales en grandeur mais opposées dans la direction
Ce comportement est souvent difficile à comprendre. Par exemple, lorsque deux objets de masses différentes entrent en collision, il est souvent supposé que l’objet plus massif exerce une force plus grande que l’objet moins massif. Cependant, les forces sont égales et en face de.
Troisième loi de Newton est communément exprimée par la phrase : « pour chaque action il est égal et en face de réaction. » Pour être plus précis, les forces entre les deux objets interagissants sont appelées « paires d’action-réaction, » qui sont égaux en grandeur et opposées dans la direction.
Mais les réponses des objets-, leur accélérations-mai ne pas être égale. C’est parce que l’accélération est inversement proportionnelle à la masse selon la seconde loi de Newton.
Envisagez ce qui se passe quand un très gros camion se heurte à une très petite voiture. Si l’action et réaction désignent les forces d’impact entre eux, alors en effet l’action produit-elle un égal et en face de la réaction. Mais en raison des différences significatives dans les masses entre le camion et la voiture, les effets de ces forces sont très différents. La voiture rebondit catastrophique alors que le camion beaucoup plus massif change guère cours.
Maintenant que les principes des lois de Newton du mouvement ont été présentés, nous allons jeter un oeil sur le comportement des objets en mouvement et portent leur comportement sur la troisième loi de Newton du mouvement.
Les expériences suivantes utilisent deux bacs roulants, qui glissent sur une piste longue, à faible frottement.
Chaque chariot est équipé d’un capteur de force relié à une interface d’ordinateur pour l’enregistrement de données. Chaque capteur est placé à frapper le capteur du panier d’autre lors d’une collision, ou pour pousser ou tirer sur le capteur du panier d’autre comme ils glissent sur la piste.
Avant de commencer les essais de collision, les capteurs de force doivent être mis en place pour l’impact et configurés pour le niveau attendu de la force. Tout d’abord, vissez un pare-chocs en caoutchouc sur le piston de chaque capteur de force. Repérez l’interrupteur à glissière sur le dessus du capteur de force. Placez ce commutateur à la position de Newton 50 pour chaque capteur.
Le bouton « Recueillir », qui ressemble à une flèche verte, commence la collecte de données. Avant chaque expérience, appuyez sur le bouton en regard de cette flèche verte à zéro du capteur de force.
Zéro deux capteurs de force, puis vérifier pour s’assurer que le sens positif pour chacun est défini vers la droite. Pousser le capteur avec le piston qui pointe à droite. La force devrait être positive.
Pousser le capteur avec le piston qui pointe à gauche. La lecture de la force devrait être négative. Si les deux lectures de force sont trompent, puis inverser les positions des charrettes.
Si seulement une seule lecture ne va pas, puis allez dans le menu « Expérience » et sélectionnez « Installation capteurs. » Choisissez le capteur de force appropriée et sélectionnez « Sens inverse ».
Après que les capteurs de force ont été configurés correctement, l’appareil est prêt pour la première expérience, qui utilise des charrettes de masse égale. Choisissez un panier à être immobile au début de l’épreuve.
Zéro deux capteurs de force, puis appuyez sur le bouton « Collect » pour commencer l’enregistrement de données. Presser et relâcher l’autre panier afin qu’il glisse sur ses propres et entre en collision avec le chariot fixe.
Après le choc, l’ordinateur affiche un tracé de la « force / temps » enregistré par chaque capteur. L’ampleur de la force maximale devrait être entre 8 et 20 Newtons. Si la force maximale est en dehors de cette plage, puis répéter l’expérience et ajuster comment dur la charrue est Poussée.
Lorsque chariots avec masse égale entrent en collision, ce complot montre que les forces ils éprouvent sont égales et opposées. Parce que l’accélération est égale à la force divisée par la masse, chaque chariot accélère la même magnitude, mais dans des directions opposées.
La deuxième expérience de collision répète la première expérience mais avec chariots de masse inégal. Choisissez un chariot pour être stationnaire et le charger avec une ou plusieurs masses donc il a 2 à 3 fois la masse du chariot mobile.
Zéro deux capteurs de force, appuyez sur le bouton « Collect » et répéter l’expérience de la collision en poussant le chariot sans poids dans le panier pondéré
Lorsque le chariot mobile moins massif entre en collision avec celle plus massive, stationnaire, ils rebondissement avec des vitesses très différentes. Malgré les apparences, les grandeurs des forces sont en fait égaux, comme le montrent clairement les parcelles. Ce comportement peut être déroutant, mais c’est parce que le chariot moins massif éprouve une plus grande accélération que le plus massif, encore une fois parce que l’accélération est égale à la force divisée par la masse.
Ensuite, transférer les poids du chariot fixe au panier mobile à inverser les rôles des charrettes. Répétez l’expérience avec le chariot mobile étant plus massif et le chariot fixe étant moins massifs. Zéro deux capteurs de force et appuyez sur le bouton « Collect ». Répéter l’expérience en poussant le chariot pondéré dans celui non pondéré.
Comme pour l’expérience précédente, les deux chariots rebondissement avec des vitesses très différentes, en raison de leurs masses différentes. Cependant, les forces d’impact ont encore des ordres de grandeur égales. Ainsi, indépendamment de savoir si les chariots ont des masses égales ou différentes, les forces de collision sont toujours égaux en grandeur et opposées dans la direction.
Troisième loi de Newton du mouvement s’applique non seulement aux collisions, mais aussi à toutes les situations où deux objets interagissent.
Troisième loi de Newton s’applique également aux interactions pousse et tire entre deux objets. Afin d’étudier ce phénomène, l’expérience de panier a été modifiée en remplaçant les amortisseurs en caoutchouc sur les capteurs de force avec des crochets et puis accrochent les charrettes. La condition de déclenchement est également inversée dans le logiciel de collecte de données.
Lorsque les chariots de masse égale poussé et tiré de l’autre, les forces étaient égales et opposées, malgré la direction changeante du mouvement. Quand deux charrettes de masse inégal ont poussé et tiré le phénomène reste vrai.
Les physiciens tentent de comprendre la formation des planètes souvent étudient des collisions. Dans cet exemple, les particules de poussière ont été préparés pour simuler des collisions dans le système solaire. Les particules ont été larguées, et enregistré leur collision.
Les particules en collision exercent contre l’autre, les forces qui étaient égaux en grandeur et opposées dans la direction. Lorsque les deux objets sont restés intacts, les forces d’impact amenés au rebond.
Vous avez juste regardé introduction de JoVE pour les lois de Newton du mouvement. Vous devez maintenant comprendre les bases des trois lois, comment ils décrivent de mouvement et de forces sur les objets. Merci de regarder !
Results
Troisième loi de Newton stipule que chaque fois que deux objets interagissent, le deuxième objet exerce une force sur le premier objet qui est égale en grandeur et en face en direction de la force que le premier objet exerce sur la seconde. C’est simple à l’État, mais il peut être difficile à accepter. Par exemple, on suppose souvent que la force qu'un objet plus grand exerce sur un objet plus petit est supérieure à la force que du plus petit objet exerce sur l’objet plus grand.
Figure 2. Résultat de la première collision. Les forces subies par les charrettes sont égales et opposées.
Figure 3 . Résultat de la seconde collision. Les forces subies par les charrettes sont égales et opposées.
Figure 4 . Résultat de la troisième collision. Les forces subies par les charrettes sont égales et opposées.
Figure 5 . Résultat de la première situation poussant/tirant. Les forces subies par les charrettes sont égales et opposées.
Figure 6 . Résultat de la deuxième situation poussant/tirant. Les forces subies par les charrettes sont égales et opposées.
Figure 7 . Résulter de la troisième poussant / tirant situation. Les forces subies par les charrettes sont égales et opposées.
Applications and Summary
Le concept abordé dans cette expérience, à savoir que, dans toutes les interactions, la force d’un objet s’applique à l’autre est égale en grandeur et en face en direction de la force exercée par l’objet second retour sur le premier, a de nombreuses applications. Par exemple, (1) la force gravitationnelle, que le soleil s’applique à la terre est égale et opposée à la force gravitationnelle de que la terre s’applique au soleil. (2) la force gravitationnelle de que la terre s’applique à la lune est égale et opposée à la force gravitationnelle, la lune s’applique à la terre. (3) la force gravitationnelle de que la terre exerce sur une pomme est égale et opposée à la force gravitationnelle, la pomme s’applique à la terre. (4) dans une collision, par exemple qu’entre une voiture et un camion dans la rue ou qu’entre deux joueurs de football, les forces sont toujours égales et opposées, n’important comment comparent les masses. (5) lorsqu’une personne se tient sur un plancher ou est assis sur une chaise, la force exercée sur que personne par la parole ou de la chaise est égale et opposée à la force, la personne exerce sur le plancher ou le Président.
