Der Impulserhaltung

Physics I

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Overview

Quelle: Nicholas Timmons, Asantha Cooray, PhD, Department of Physics & Astronomie, School of Physical Sciences, University of California, Irvine, CA

Das Ziel dieses Experiments ist das Konzept der Impulserhaltung zu testen. Durch die Einrichtung einer Oberfläche mit sehr wenig Reibung, können Kollisionen zwischen sich bewegenden Objekte untersucht werden, einschließlich deren Anfangs- und Endwert Momenta.

Die Impulserhaltung ist eines der wichtigsten Gesetze in der Physik. Wenn etwas in der Physik erhalten bleibt, ist der anfängliche Wert gleich auf den Endwert. Für Dynamik bedeutet dies, dass die gesamte erste Dynamik eines Systems die insgesamt letzte Dynamik gleich sein wird. Newtons zweite Gesetz besagt, dass die Kraft auf ein Objekt gleich die Änderung in das Objekt Schwung mit der Zeit sein wird. Diese Tatsache, verbunden mit der Idee, dass Impuls ist erhalten, die Funktionsweise der klassischen Mechanik untermauert und ein leistungsfähiges Problemlösungs-Werkzeug ist.

Cite this Video

JoVE Science Education Database. Grundlagen der Physik I. Der Impulserhaltung. JoVE, Cambridge, MA, (2017).

Principles

Dynamik Equation 1 ist definiert als die Masse eines Körpers mal seine Geschwindigkeit Equation 2 :

Equation 3. (Gleichung 1)

Dynamik im Hinblick auf die einwirkenden Kräfte auf ein Objekt (Newtons zweites Gesetz) kann man auch definieren:

Equation 4. (Gleichung 2)

Hier, Equation 5 ist die erste Dynamik und Equation 6 ist der letzte Impuls, mit dem gleichen Übereinkommen zur Zeit Equation 7 und Equation 8 . Die Summe der einwirkenden Kräfte auf ein Objekt entspricht die Änderung des Impulses des Objekts mit der Zeit. Daher gibt es keine Nettokraft, die auf ein Objekt wirkt, wird die Änderung in das Momentum Null sein. Anders ausgedrückt: in einem geschlossenen System mit keine äußeren Kräfte, die anfängliche Dynamik werden gleich den letzten Schwung.

Dieses Konzept wird im Rahmen der eindimensionale und zweidimensionale Kollisionen am leichtesten verstanden. Im eindimensionalen Kollisionen, ein Objekt mit Masse Equation 9 und anfängliche Geschwindigkeit Equation 10 kollidiert mit einem anderen Objekt mit Masse Equation 11 und anfängliche Geschwindigkeit Equation 12 . Bei diesen Kollisionen werden äußere Kräfte auszugehen, zu klein zu wirken. Im Labor wird ein Luft-Track verwendet, um die Reduzierung der Reibung, eine externe Kraft auf die Segelflugzeuge. Wenn die ursprüngliche Dynamik der letzte Impuls, dann entspricht:

Equation 13, (Gleichung 3)

wo die grundierten Geschwindigkeiten darstellen, dass endgültige Geschwindigkeiten und die ungestrichenen Geschwindigkeiten die Anfangsgeschwindigkeiten darstellen.

Figure 1
Abbildung 1 . Versuchsaufbau.

Procedure

1. das Verständnis des Photogate Timers.

  1. Mit einer Waage, Messen Sie und notieren Sie die Masse jedes Segelflugzeug.
  2. Legen Sie ein Segelflugzeug auf der Strecke mit einem Photogate Timer.
  3. Stellen Sie den Photogate Timer zur Einstellung "Tor".
  4. Wenn der Schirm der Photogate durchläuft, wird es die Zeiten aufzuzeichnen, an der die Flagge über dem Schirm durch das Tor geht. Auf einer hin-und Rückfahrt wird die Photogate keine neue Zeit angezeigt. Schalter der Knebel zu "lesen", so dass es, die erste Zeit zuzüglich der Zeit des zweiten angezeigt wird pass durch das Tor.
  5. Die Flagge ist 10 cm lang; bestimmen Sie die Geschwindigkeit des Gleitschirms mit der Tatsache, dass die Geschwindigkeit Strecke geteilt durch Zeit.
  6. Senden Sie das Segelflugzeug durch die Photogate mehrmals, einschließlich der hin-und Rückflüge nach es der gegenüberliegenden Wand prallte hat und Messen Sie die Geschwindigkeiten, um mit der Ausrüstung vertraut. Denken Sie daran, dass Geschwindigkeit eine Richtung hat. Lassen Sie die Anfangsgeschwindigkeit Richtung positiv darstellen und die entgegengesetzte Richtung negative Velocity-Werte darstellen.

(2) zwei Segelflugzeuge gleich Masse.

  1. Platzieren Sie zwei Segelflugzeuge und zwei Photogate Timer auf der Strecke, wie in Abbildung 1.
  2. Verwenden Sie Gleichung 3 um den Ausdruck für die endgültige Geschwindigkeit zu bestimmen. In diesem Teil des Experiments startet Segelflugzeug B vom Rest.
  3. Schirm geben einige Anfangsgeschwindigkeit so, daß es mit Segelflugzeug B. Datensatz die Anfangsgeschwindigkeit des Schirms A kollidieren wird, sowie die endgültige Geschwindigkeiten jedes Segelflugzeug. Tun Sie dies drei Mal, tragen Sie Ihre Ergebnisse und vergleichen Sie diese mit der theoretischen Vorhersage.

3. zwei Segelflugzeuge der ungleichen Masse.

  1. Fügen Sie 4 Gewichte, Segelflugzeug B, die doppelte seiner Masse werden. Wiederholen Sie die Schritte 2.1-2.3.

4. gleich Massen Rest nicht ab

  1. Entfernen Sie die Gewichte von Schirm B.
  2. Wiederholen Sie die Schritte 2.1-2.3, aber geben Sie Schirm B eine Anfangsgeschwindigkeit als auch in Richtung Segelflieger A.

Der Impulserhaltung ist eines der wichtigsten Gesetze in der Physik und fördert viele Phänomene in der klassischen Mechanik.

Dynamik, in der Regel gekennzeichnet durch den Buchstaben p, ist das Produkt aus Masse m und Geschwindigkeit v Das Prinzip der Erhaltung der Dynamik besagt, dass ein Objekt ändern in Schwung oder Δp, gleich Null ist, sofern keine externen Nettokraft angewendet wird.

Umgekehrt, Anwendung einer externen Nettokraft oder F net, über einen Zeitraum von Zeit führt zu einer Änderung des Impulses für dieses Objekt. Das Phänomen der Dynamik Erhaltung kann auch auf eine Auflistung von Objekten, macht es nützlich für das Studium der Physik von Kollisionen angewendet werden.

Das Ziel dieses Experiments ist es, das Prinzip der Impulserhaltung testen, indem Sie Kollisionen zwischen sich bewegenden Objekte zu beobachten.

Vor dem Eintauchen in die Laborexperiment, studieren wir die grundlegenden Prinzipien der Dynamik Erhaltung. Newtons Gesetze der Bewegung sind von zentraler Bedeutung für das Verständnis des Grundsatzes der Erhaltung der Dynamik. Für weitere Informationen sehen Sie bitte Jupiters Science Education Video: Newtons Gesetze der Bewegung.

Die Konzepte der Dynamik können mit einem Cue Ball auf einem Billardtisch dargestellt werden. Newtons zweite Gesetz besagt, dass eine resultierende Kraft angewendet durch eine Queue eine Beschleunigung ein , eine weiße Kugel der Masse mvermittelt. Die Beschleunigung ist die Änderung der Geschwindigkeit V über Zeit t. Also, wenn wir mal auf die andere Seite der Gleichung bewegen, sind wir mit ΔMvoder die Veränderung der Dynamik Δplinks. Daher entsteht die Nettokraft, die eine Änderung des Impulses.

Beachten Sie, dass das m in diese Gleichung in der Regel konstant ist, also die Änderung des Impulses auf die unterschiedliche Geschwindigkeiten an den letzten und ersten Referenzpunkten angewiesen ist. Und da Geschwindigkeit eine Vektorgröße ist, einen positiven oder negativen Vorzeichen ist zurückzuführen auf den Wert der Bewegungsrichtung anzeigt.

Im Beispiel weiße Kugel ist die Anfangsgeschwindigkeit bei Punkt A--gekennzeichnet durch vA in dieser Gleichung--gleich Null. Während die Endgeschwindigkeit bei Punkt B positiv ist. So ist die Dynamik-Änderung positiv durch die Nettokraft, die durch den Stick angewendet. Dann, wenn der Ball von Punkt B, Punkt C bewegt, vorausgesetzt, es gibt keine äußeren Kräfte auf die Kugel wie Reibung oder Luft Widerstand, Δp einwirkende null wäre.

Beachten Sie, dass die Dynamik nur in einem isolierten System - ein System net Außenkräfte unberührt erhalten werden kann.

Jetzt, , wenn die weiße Kugel bewegt sich von Punkt C und die Seite des Tisches an Punkt D trifft, wird seine Endgeschwindigkeit Null. So wird die Dynamik Änderung negativ unter Beibehaltung den gleichen Größenordnung wie bei der Ball von der Queue getroffen wurde. Schließlich, wenn die Cue-Ball von der Wand abprallt, ist seine Endgeschwindigkeit im Punkt E negativ durch Richtungsänderung. Wir wissen, dass die Anfangsgeschwindigkeit an Punkt D ist gleich Null, daher bleibt die Änderung des Impulses negativ aufgrund der Änderung der Bewegungsrichtung.

Dieses Phänomen der Dynamik Veränderung und Erhaltung ist nützlich für Studium Kollisionen sowie, wie zwischen zwei Billardkugeln. Beachten Sie, dass in diesem Fall die beiden Kugeln zusammen als ein isoliertes System behandelt werden würde. Daher entspricht die Summe der ersten Momenta die Leichen vor der Kollision die Summe ihrer endgültigen Momenta danach. Die Dynamik Änderung eines Körpers wäre auch, gleiche und entgegengesetzte mit derjenigen der anderen - Newtons dritte Gesetz widerspiegelt.

Beachten Sie, dass diese Pool-Ball-Stöße elastisch, was bedeutet, dass sowohl Impuls und kinetische Energie oder KE, des Systems, konserviert gelten würde; aber dies ist nicht immer der Fall. In der Tat, häufiger begegnet Kollisionen, wie Autounfälle, sind unelastisch und kann Dynamik Erhaltung nicht gehorchen, weil einige kinetische Energie während des Aufpralls verloren geht.

Nun, da wir die Prinzipien der Dynamik Erhaltung überprüft haben, mal sehen, wie diese Konzepte zu einem Experiment mit Kollisionen von Segelflugzeugen auf einer in der Nähe von reibungsfreien Spur angewendet werden können.

Dieses Experiment besteht aus zwei Segelflugzeuge gleich Masse, Zusatzgewichte, eine Luftzufuhr, ein Luft-Track mit Stoßstangen und ein Lineal, ein Gleichgewicht, zwei Photogate Timer.

Zunächst Verwendung der Waage, Messen Sie die Massen von Segelflugzeugen, die Zusatzgewichte zu und zeichnen Sie diese Werte. Als nächstes schließen Sie die Luftzufuhr zum Air Track und schalten Sie ihn ein. Ein Luft-Schiene dient zur Reduzierung der Reibung, die eine externe Kraft auf die Segelflugzeuge wäre.

Jetzt beginnen Sie sich vertraut zu machen mit dem Timing-Prozess indem ein Schirm und ist Bestandteil eines Photogate Timer auf der Strecke. Stellen Sie den Timer auf die "Gate"-Einstellung, und drücken Sie den Schirm in Richtung der Photogate. Wenn die Flagge über dem Schirm die Photogate durchläuft speichert es die Transitzeit. Wissen die Flagge 10 Zentimeter lang ist, teilen Sie diesen Abstand durch die gemessene Zeit, um die Geschwindigkeit des Gleitschirms.

Der Schirm wird weit Stoßstange abprallen und zurückkehren, um die Photogate erneut durchlaufen. Die Photogate zeigt die anfängliche Laufzeit und umschaltbar auf "lesen" Einstellung zum Anzeigen der Uhrzeit Rückkehr Transit. Wiederholen Sie den Vorgang zur Messung der Geschwindigkeit des Gleitschirms während der aus- und wieder Fahrten mit dem Prozess vertraut. Da Geschwindigkeit eine Vektorgröße ist, lassen Sie die anfängliche Richtung positiv sein und die Rückfahrt Richtung negativ sein.

Legen Sie einen zweiten Schirm und Photogate Timer auf dem Weg auf der rechten Seite des ersten Satzes. Drücken Sie mit Schirm 2 in Ruhe Segelflugzeug 1, damit die beiden kollidieren werden. Notieren Sie die Anfangsgeschwindigkeit des Schirms 1 sowie die endgültige Geschwindigkeiten jedes Segelflugzeug. Beachten Sie, dass der Momenta werden gemessen nach , was die impulsive Kraft angewendet wurde und das System isoliert ist. Wiederholen Sie diesen Vorgang dreimal um mehrere Datensätze zu erhalten.

Legen Sie als nächstes mit Segelflugzeugen in ihren ursprünglichen Positionen, einen zusätzlichen Satz von Gewichten auf Schirm 2, der seiner Masse verdoppelt. Wiederholen Sie den vorherigen Satz von Geschwindigkeitsmessungen für diese Masse Konfiguration und zeichnen Sie diese Werte.

Zu guter Letzt die Segelflugzeuge auf ihre ursprünglichen Positionen zurückgesetzt und die Zusatzgewichte vom Segelflugzeug 2 nehmen. Für diese Gruppe von Messungen Segelflugzeug 2 eine Anfangsgeschwindigkeit erfolgt so, dass beide Segelflugzeuge einen Stoß vor der Kollision erhalten. Zeichnen Sie die erste und letzten Geschwindigkeiten für jedes Segelflugzeug auf und wiederholen Sie diesen Vorgang dreimal.

Für das erste Experiment mit gleichen Massen und Segelflugzeug 1 zunächst bewegen, Segelflugzeug 1 fast völlig zum Stillstand nach einer Kollision mit Segelflugzeug 2 kommt. Und die Geschwindigkeit des Schirms 2 nach Kollision ist vergleichbar mit der Geschwindigkeit des Schirms 1 vor der Kollision. So die Änderung des Impulses eines Segelflugzeugs ist gleich und entgegengesetzt der Dynamik-Änderung des anderen, was macht dies ein gutes Beispiel für 3. Gesetz des Newtons

Wie erwartet, die Anfangs- und Endwert Momenta des Gesamtsystems fast gleich sind, reflektiert der Impulserhaltung. Abweichungen in diesen Momenta Werte stehen im Einklang mit Fehler erwartet für diese Art von Experiment einschließlich Messfehler und die Strecke nicht völlig eben sein.

Für das zweite Experiment ungleiche Massen Segelflugzeug 1 kommt nicht zur Ruhe nach der Kollision mit den schwereren Schirm, aber kehrt nach Vermittlung etwas an Dynamik zu Segelflugzeug 2.

Wieder einmal sind die Dynamik die Segelflugzeuge gleiche und entgegengesetzte während die Dynamik des Gesamtsystems konserviert ist. Die System-Dynamik sowie die Anfangs- und Endwert kinetischen Energien sind fast konserviert. Und zwar deshalb, weil die Kollision fast elastisch ist und daher vernachlässigbar externe Reibungskräfte vorhanden sind.

Für das dritte Experiment Segelflugzeuge der gleichen Masse, die in entgegengesetzte Richtungen bewegen die Segelflugzeuge besitzen ähnliche erste Momenta und dann umkehren ihre Richtungen nach einer Kollision unter Beibehaltung der Momenta hineinwachsen.

Die Dynamik des Gesamtsystems ist erhalten, obwohl die Diskrepanzen in der Anfangs- und Endwert Dynamik-Werte etwas größer als die bisherigen Experimente aufgrund der zusätzlichen Geschwindigkeitsmessung erforderlich und potenziell größere Reibungsverluste sind.

Das Prinzip der Impulserhaltung, während in der Regel nicht in Betracht gezogen, ist prominent in alle Arten von Aktivitäten und Veranstaltungen. Ohne Schwung wäre Erhaltung Raketenantrieb nicht möglich. Zunächst die Rakete und seinen Kraftstoff sind unbeweglich und haben null Dynamik.

Allerdings wird durch schnell vertreiben abgebrannten Brennelemente, die Masse und Impuls hat, die Rakete nach oben, durch den Schwung in die entgegengesetzte Richtung der ausrangierten Kraftstoff angetrieben. Dies erklärt, wie Raketen Schub erstellen und in Luft oder Raum ohne Druck gegen alles treiben.

Die Entlastung einer Feuerwaffe hat eine bemerkenswerte Verbindung mit der Impulserhaltung.

Wie die Rakete-Fuel-System beginnt die Waffe Munition System auch in Ruhe. Wenn die Munition aus der Waffe mit einer enormen Geschwindigkeit ausgelöst wird, muss es Schwung um Gegenmaßnahmen gegen werden. Dies ist bekannt als Rückstoß und kann sehr kraftvoll sein.

Sie habe nur Jupiters Einführung in der Impulserhaltung beobachtet. Sie sollten jetzt verstehen das Prinzip Dynamik Erhaltung und wie diese angewendet werden kann, um Probleme zu lösen und die Physik der Kollisionen zu verstehen. Wie immer vielen Dank für das ansehen!

Results

Tabelle 1. Ergebnisse aus zwei Segelflugzeuge gleich Masse.

Segelflugzeug
(Testversion)
Equation 14
(cm/s)
Equation 15
(cm/s)
Equation 16
(cm/s)
Equation 17
(cm/s)
Unterschied
(%)
(1) 72,5 -0,2 - - -
B (1) 0.0 67,1 72,5 66,9 8
A (2) 35,6 0,3 - - -
B (2) 0.0 37,4 35,6 37,7 6
(3) 47,4 0.0 - - -
B (3) 0.0 47,8 47,4 47,8 1

Tabelle 2. Ergebnisse aus zwei Segelflugzeuge der ungleichen Masse.

Segelflugzeug
(Testversion)
Equation 14
(cm/s)
Equation 15
(cm/s)
Equation 18
(kg cm/s)
Equation 19
(kg cm/s)
Unterschied

(%)

(1) 52,9 -10.7 - - -
B (1) 0.0 37,7 52,9 64,7 22
A (2) 60.2 -13.2 - - -
B (2) 0.0 41,5 60.2 69,8 16
(3) 66,2 -12,0 - - -
B (3) 0.0 45.9 66,2 79,7 20

Tabelle 3. Ergebnisse von gleicher Massen nicht vom Rest ab.

Segelflugzeug
(Testversion)
Equation 14
(cm/s)
Equation 15
(cm/s)
Equation 16
(cm/s)
Equation 17
(cm/s)
Unterschied
(%)
(1) 48,8 -29.9 - - -
B (1) -42.4 39,8 6.4 9.9 55
A (2) 38,6 -25.2 - - -
B (2) -33.4 32,8 5.2 7.6 46
(3) 38,9 -43.1 - - -
B (3) -48.5 36,3 -9.6 -6,8 41

Die Ergebnisse für die Schritte 2, 3 und 4 bestätigen die Prognosen von Gleichung 3. In Schritt 2 kommt Segelflugzeug A ein fast vollständig zum Stillstand nach einer Kollision mit Segelflugzeug B. Daher fast alle seine Dynamik auf Schirm B. übertragen In Schritt 3 kommt die Gleiter A nicht zum Stillstand nach einer Kollision mit schwerer Schirm B. Stattdessen kehrt es in die entgegengesetzte Richtung nach Vermittlung etwas an Dynamik zu Schirm B. In Schritt 4 bleibt die gesamte Dynamik des Systems unverändert, trotz ändert sich die Richtung der beiden Schirme. Die Tatsache, dass in einigen Fällen die gesamte Dynamik scheint zu erhöhen und die Geschwindigkeiten der beiden Segelflugzeuge Abnahme bezieht sich auf die Tatsache, dass experimentelle Fehler vorliegt und der Kollisionen selbst nicht vollkommen elastisch sind. Schall- und Wärmeschutz, da durch die Kollisionen können Energie aus dem System nehmen. Die Tatsache kann, dass die Luft Strecke möglicherweise nicht völlig Ebene das Verhalten der Geschwindigkeiten der Schirme ändern. Wenn die Strecke sogar leicht geneigt ist, erhöht sich die Geschwindigkeiten in diese Richtung aufgrund der Schwerkraft. Die Ergebnisse zeigen weiterhin, dass die gesamten Dynamik des Systems, unabhängig von Anfangsgeschwindigkeiten, konstant bleibt.

Applications and Summary

Ohne Schwung Erhaltung würde Raketen nie den Boden verlassen. Drücken Sie Raketen nicht wirklich gegen alles-sie verlassen sich auf Schub zum abheben. Zunächst, der Kraftstoff von einer Rakete und die Rakete selbst sind unbeweglich und haben null Dynamik. Wenn Sie starten, treibt die Rakete abgebrannten Brennelemente aus sehr schnell. Diese Brennelemente hat Masse und Impuls. Wenn der letzte Schwung gleich den ersten Schwung (null) sein muss, dann muss es etwas Schwung in die entgegengesetzte Richtung des verworfenen Kraftstoffs. Somit wird die Rakete nach oben angetrieben.

Wer jemals eine Waffe abgefeuert hat versteht der Impulserhaltung. Wie die Rakete/Fuel-System von oben startet das Waffe/Munition-System auch in Ruhe. Wenn die Munition aus der Pistole mit einer enormen Geschwindigkeit ausgelöst wird, muss etwas Schwung in die entgegengesetzte Richtung, die Dynamik der Gewehrkugel zu stornieren. Dies ist bekannt als Rückstoß und kann sehr kraftvoll sein.

Das beliebte Schreibtisch Ornament, das aus mehreren Metallkugeln von Saiten hängen besteht nennt man eine "Newtons Wiege" aus gutem Grund. Es ist ein weiteres Beispiel für die Impulserhaltung. Wenn ein Ball aufgehoben und freigegeben ist, erscheint es seinem Nachbarn, ihren Schwung zu übertragen. Die Dynamik fährt auf der ganzen Linie, bis der letzte Ball die Dynamik des ersten hat, wodurch es zu nach außen schwingen. Dies würde ewig dauern, wenn nicht für äußere Kräfte, wie Luft Widerstand und Energieverluste durch die Kollisionen gehen.

In diesem Experiment wurde das Gesetz der Impulserhaltung überprüft, unter Berücksichtigung der Kollision von zwei Segelflugzeuge in der Nähe von frictionless planmäßig. Dieses fundamentale Gesetz ist vielleicht wichtigsten wegen seiner Leistung, Probleme zu lösen. Wenn jemand, die ersten Momenta weiß, dann die endgültige Momenta kennt und umgekehrt.

1. das Verständnis des Photogate Timers.

  1. Mit einer Waage, Messen Sie und notieren Sie die Masse jedes Segelflugzeug.
  2. Legen Sie ein Segelflugzeug auf der Strecke mit einem Photogate Timer.
  3. Stellen Sie den Photogate Timer zur Einstellung "Tor".
  4. Wenn der Schirm der Photogate durchläuft, wird es die Zeiten aufzuzeichnen, an der die Flagge über dem Schirm durch das Tor geht. Auf einer hin-und Rückfahrt wird die Photogate keine neue Zeit angezeigt. Schalter der Knebel zu "lesen", so dass es, die erste Zeit zuzüglich der Zeit des zweiten angezeigt wird pass durch das Tor.
  5. Die Flagge ist 10 cm lang; bestimmen Sie die Geschwindigkeit des Gleitschirms mit der Tatsache, dass die Geschwindigkeit Strecke geteilt durch Zeit.
  6. Senden Sie das Segelflugzeug durch die Photogate mehrmals, einschließlich der hin-und Rückflüge nach es der gegenüberliegenden Wand prallte hat und Messen Sie die Geschwindigkeiten, um mit der Ausrüstung vertraut. Denken Sie daran, dass Geschwindigkeit eine Richtung hat. Lassen Sie die Anfangsgeschwindigkeit Richtung positiv darstellen und die entgegengesetzte Richtung negative Velocity-Werte darstellen.

(2) zwei Segelflugzeuge gleich Masse.

  1. Platzieren Sie zwei Segelflugzeuge und zwei Photogate Timer auf der Strecke, wie in Abbildung 1.
  2. Verwenden Sie Gleichung 3 um den Ausdruck für die endgültige Geschwindigkeit zu bestimmen. In diesem Teil des Experiments startet Segelflugzeug B vom Rest.
  3. Schirm geben einige Anfangsgeschwindigkeit so, daß es mit Segelflugzeug B. Datensatz die Anfangsgeschwindigkeit des Schirms A kollidieren wird, sowie die endgültige Geschwindigkeiten jedes Segelflugzeug. Tun Sie dies drei Mal, tragen Sie Ihre Ergebnisse und vergleichen Sie diese mit der theoretischen Vorhersage.

3. zwei Segelflugzeuge der ungleichen Masse.

  1. Fügen Sie 4 Gewichte, Segelflugzeug B, die doppelte seiner Masse werden. Wiederholen Sie die Schritte 2.1-2.3.

4. gleich Massen Rest nicht ab

  1. Entfernen Sie die Gewichte von Schirm B.
  2. Wiederholen Sie die Schritte 2.1-2.3, aber geben Sie Schirm B eine Anfangsgeschwindigkeit als auch in Richtung Segelflieger A.

Der Impulserhaltung ist eines der wichtigsten Gesetze in der Physik und fördert viele Phänomene in der klassischen Mechanik.

Dynamik, in der Regel gekennzeichnet durch den Buchstaben p, ist das Produkt aus Masse m und Geschwindigkeit v Das Prinzip der Erhaltung der Dynamik besagt, dass ein Objekt ändern in Schwung oder Δp, gleich Null ist, sofern keine externen Nettokraft angewendet wird.

Umgekehrt, Anwendung einer externen Nettokraft oder F net, über einen Zeitraum von Zeit führt zu einer Änderung des Impulses für dieses Objekt. Das Phänomen der Dynamik Erhaltung kann auch auf eine Auflistung von Objekten, macht es nützlich für das Studium der Physik von Kollisionen angewendet werden.

Das Ziel dieses Experiments ist es, das Prinzip der Impulserhaltung testen, indem Sie Kollisionen zwischen sich bewegenden Objekte zu beobachten.

Vor dem Eintauchen in die Laborexperiment, studieren wir die grundlegenden Prinzipien der Dynamik Erhaltung. Newtons Gesetze der Bewegung sind von zentraler Bedeutung für das Verständnis des Grundsatzes der Erhaltung der Dynamik. Für weitere Informationen sehen Sie bitte Jupiters Science Education Video: Newtons Gesetze der Bewegung.

Die Konzepte der Dynamik können mit einem Cue Ball auf einem Billardtisch dargestellt werden. Newtons zweite Gesetz besagt, dass eine resultierende Kraft angewendet durch eine Queue eine Beschleunigung ein , eine weiße Kugel der Masse mvermittelt. Die Beschleunigung ist die Änderung der Geschwindigkeit V über Zeit t. Also, wenn wir mal auf die andere Seite der Gleichung bewegen, sind wir mit ΔMvoder die Veränderung der Dynamik Δplinks. Daher entsteht die Nettokraft, die eine Änderung des Impulses.

Beachten Sie, dass das m in diese Gleichung in der Regel konstant ist, also die Änderung des Impulses auf die unterschiedliche Geschwindigkeiten an den letzten und ersten Referenzpunkten angewiesen ist. Und da Geschwindigkeit eine Vektorgröße ist, einen positiven oder negativen Vorzeichen ist zurückzuführen auf den Wert der Bewegungsrichtung anzeigt.

Im Beispiel weiße Kugel ist die Anfangsgeschwindigkeit bei Punkt A--gekennzeichnet durch vA in dieser Gleichung--gleich Null. Während die Endgeschwindigkeit bei Punkt B positiv ist. So ist die Dynamik-Änderung positiv durch die Nettokraft, die durch den Stick angewendet. Dann, wenn der Ball von Punkt B, Punkt C bewegt, vorausgesetzt, es gibt keine äußeren Kräfte auf die Kugel wie Reibung oder Luft Widerstand, Δp einwirkende null wäre.

Beachten Sie, dass die Dynamik nur in einem isolierten System - ein System net Außenkräfte unberührt erhalten werden kann.

Jetzt, , wenn die weiße Kugel bewegt sich von Punkt C und die Seite des Tisches an Punkt D trifft, wird seine Endgeschwindigkeit Null. So wird die Dynamik Änderung negativ unter Beibehaltung den gleichen Größenordnung wie bei der Ball von der Queue getroffen wurde. Schließlich, wenn die Cue-Ball von der Wand abprallt, ist seine Endgeschwindigkeit im Punkt E negativ durch Richtungsänderung. Wir wissen, dass die Anfangsgeschwindigkeit an Punkt D ist gleich Null, daher bleibt die Änderung des Impulses negativ aufgrund der Änderung der Bewegungsrichtung.

Dieses Phänomen der Dynamik Veränderung und Erhaltung ist nützlich für Studium Kollisionen sowie, wie zwischen zwei Billardkugeln. Beachten Sie, dass in diesem Fall die beiden Kugeln zusammen als ein isoliertes System behandelt werden würde. Daher entspricht die Summe der ersten Momenta die Leichen vor der Kollision die Summe ihrer endgültigen Momenta danach. Die Dynamik Änderung eines Körpers wäre auch, gleiche und entgegengesetzte mit derjenigen der anderen - Newtons dritte Gesetz widerspiegelt.

Beachten Sie, dass diese Pool-Ball-Stöße elastisch, was bedeutet, dass sowohl Impuls und kinetische Energie oder KE, des Systems, konserviert gelten würde; aber dies ist nicht immer der Fall. In der Tat, häufiger begegnet Kollisionen, wie Autounfälle, sind unelastisch und kann Dynamik Erhaltung nicht gehorchen, weil einige kinetische Energie während des Aufpralls verloren geht.

Nun, da wir die Prinzipien der Dynamik Erhaltung überprüft haben, mal sehen, wie diese Konzepte zu einem Experiment mit Kollisionen von Segelflugzeugen auf einer in der Nähe von reibungsfreien Spur angewendet werden können.

Dieses Experiment besteht aus zwei Segelflugzeuge gleich Masse, Zusatzgewichte, eine Luftzufuhr, ein Luft-Track mit Stoßstangen und ein Lineal, ein Gleichgewicht, zwei Photogate Timer.

Zunächst Verwendung der Waage, Messen Sie die Massen von Segelflugzeugen, die Zusatzgewichte zu und zeichnen Sie diese Werte. Als nächstes schließen Sie die Luftzufuhr zum Air Track und schalten Sie ihn ein. Ein Luft-Schiene dient zur Reduzierung der Reibung, die eine externe Kraft auf die Segelflugzeuge wäre.

Jetzt beginnen Sie sich vertraut zu machen mit dem Timing-Prozess indem ein Schirm und ist Bestandteil eines Photogate Timer auf der Strecke. Stellen Sie den Timer auf die "Gate"-Einstellung, und drücken Sie den Schirm in Richtung der Photogate. Wenn die Flagge über dem Schirm die Photogate durchläuft speichert es die Transitzeit. Wissen die Flagge 10 Zentimeter lang ist, teilen Sie diesen Abstand durch die gemessene Zeit, um die Geschwindigkeit des Gleitschirms.

Der Schirm wird weit Stoßstange abprallen und zurückkehren, um die Photogate erneut durchlaufen. Die Photogate zeigt die anfängliche Laufzeit und umschaltbar auf "lesen" Einstellung zum Anzeigen der Uhrzeit Rückkehr Transit. Wiederholen Sie den Vorgang zur Messung der Geschwindigkeit des Gleitschirms während der aus- und wieder Fahrten mit dem Prozess vertraut. Da Geschwindigkeit eine Vektorgröße ist, lassen Sie die anfängliche Richtung positiv sein und die Rückfahrt Richtung negativ sein.

Legen Sie einen zweiten Schirm und Photogate Timer auf dem Weg auf der rechten Seite des ersten Satzes. Drücken Sie mit Schirm 2 in Ruhe Segelflugzeug 1, damit die beiden kollidieren werden. Notieren Sie die Anfangsgeschwindigkeit des Schirms 1 sowie die endgültige Geschwindigkeiten jedes Segelflugzeug. Beachten Sie, dass der Momenta werden gemessen nach , was die impulsive Kraft angewendet wurde und das System isoliert ist. Wiederholen Sie diesen Vorgang dreimal um mehrere Datensätze zu erhalten.

Legen Sie als nächstes mit Segelflugzeugen in ihren ursprünglichen Positionen, einen zusätzlichen Satz von Gewichten auf Schirm 2, der seiner Masse verdoppelt. Wiederholen Sie den vorherigen Satz von Geschwindigkeitsmessungen für diese Masse Konfiguration und zeichnen Sie diese Werte.

Zu guter Letzt die Segelflugzeuge auf ihre ursprünglichen Positionen zurückgesetzt und die Zusatzgewichte vom Segelflugzeug 2 nehmen. Für diese Gruppe von Messungen Segelflugzeug 2 eine Anfangsgeschwindigkeit erfolgt so, dass beide Segelflugzeuge einen Stoß vor der Kollision erhalten. Zeichnen Sie die erste und letzten Geschwindigkeiten für jedes Segelflugzeug auf und wiederholen Sie diesen Vorgang dreimal.

Für das erste Experiment mit gleichen Massen und Segelflugzeug 1 zunächst bewegen, Segelflugzeug 1 fast völlig zum Stillstand nach einer Kollision mit Segelflugzeug 2 kommt. Und die Geschwindigkeit des Schirms 2 nach Kollision ist vergleichbar mit der Geschwindigkeit des Schirms 1 vor der Kollision. So die Änderung des Impulses eines Segelflugzeugs ist gleich und entgegengesetzt der Dynamik-Änderung des anderen, was macht dies ein gutes Beispiel für 3. Gesetz des Newtons

Wie erwartet, die Anfangs- und Endwert Momenta des Gesamtsystems fast gleich sind, reflektiert der Impulserhaltung. Abweichungen in diesen Momenta Werte stehen im Einklang mit Fehler erwartet für diese Art von Experiment einschließlich Messfehler und die Strecke nicht völlig eben sein.

Für das zweite Experiment ungleiche Massen Segelflugzeug 1 kommt nicht zur Ruhe nach der Kollision mit den schwereren Schirm, aber kehrt nach Vermittlung etwas an Dynamik zu Segelflugzeug 2.

Wieder einmal sind die Dynamik die Segelflugzeuge gleiche und entgegengesetzte während die Dynamik des Gesamtsystems konserviert ist. Die System-Dynamik sowie die Anfangs- und Endwert kinetischen Energien sind fast konserviert. Und zwar deshalb, weil die Kollision fast elastisch ist und daher vernachlässigbar externe Reibungskräfte vorhanden sind.

Für das dritte Experiment Segelflugzeuge der gleichen Masse, die in entgegengesetzte Richtungen bewegen die Segelflugzeuge besitzen ähnliche erste Momenta und dann umkehren ihre Richtungen nach einer Kollision unter Beibehaltung der Momenta hineinwachsen.

Die Dynamik des Gesamtsystems ist erhalten, obwohl die Diskrepanzen in der Anfangs- und Endwert Dynamik-Werte etwas größer als die bisherigen Experimente aufgrund der zusätzlichen Geschwindigkeitsmessung erforderlich und potenziell größere Reibungsverluste sind.

Das Prinzip der Impulserhaltung, während in der Regel nicht in Betracht gezogen, ist prominent in alle Arten von Aktivitäten und Veranstaltungen. Ohne Schwung wäre Erhaltung Raketenantrieb nicht möglich. Zunächst die Rakete und seinen Kraftstoff sind unbeweglich und haben null Dynamik.

Allerdings wird durch schnell vertreiben abgebrannten Brennelemente, die Masse und Impuls hat, die Rakete nach oben, durch den Schwung in die entgegengesetzte Richtung der ausrangierten Kraftstoff angetrieben. Dies erklärt, wie Raketen Schub erstellen und in Luft oder Raum ohne Druck gegen alles treiben.

Die Entlastung einer Feuerwaffe hat eine bemerkenswerte Verbindung mit der Impulserhaltung.

Wie die Rakete-Fuel-System beginnt die Waffe Munition System auch in Ruhe. Wenn die Munition aus der Waffe mit einer enormen Geschwindigkeit ausgelöst wird, muss es Schwung um Gegenmaßnahmen gegen werden. Dies ist bekannt als Rückstoß und kann sehr kraftvoll sein.

Sie habe nur Jupiters Einführung in der Impulserhaltung beobachtet. Sie sollten jetzt verstehen das Prinzip Dynamik Erhaltung und wie diese angewendet werden kann, um Probleme zu lösen und die Physik der Kollisionen zu verstehen. Wie immer vielen Dank für das ansehen!

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