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 es, die Komponenten der Kraft und ihre Beziehung zur Bewegung durch den Einsatz von Newtons zweites Gesetz zu verstehen, durch die Messung der Beschleunigung eines Segelflugzeugs wird von einer Kraft beaufschlagt.
Fast jeder Aspekt der Bewegung im Alltag kann durch Isaac Newtons drei Gesetze der Bewegung beschrieben werden. Sie beschreiben, wie Objekte in Bewegung bleiben Sie in Bewegung (das erste Gesetz), tendenziell Objekte werden beschleunigt, wenn durch eine resultierende Kraft (der zweite Hauptsatz) beaufschlagt und jede Kraft, die von einem Objekt haben eine gleich und Gegenteil zwingen ausgeübte zurück auf das Objekt (das dritte Gesetz). Fast alle High School und studierte Mechanik basiert auf diese einfache Konzepte.
Principles
Eines der berühmtesten Gleichungen aller Physik ist Newtons zweites Gesetz:
. (Gleichung 1)
Es gibt einfach an, dass die Kraft auf ein Objekt gleich der Masse des Objekts Zeiten seine Beschleunigung ist.
Im Experiment zu folgen wird ein Segelflugzeug mit einem Fallgewicht durch eine Riemenscheibe verbunden sein. Da Reibung durch das Segelflugzeug gleiten entlang einer Strecke in eine zusätzliche Kraft, die schwer führen würde zu messen ist, wird der Schirm eine Luft unterwegs, um die Reibung zu reduzieren sein. Die Air Track schafft ein Luftpolster zwischen Schirm und Gleis, Reibung auf etwa null zu reduzieren. Die Kraft des Gewichts beschleunigt das Segelflugzeug nach Gleichung 1.
Die Kraft auf das Gewicht werden aufgrund der Schwerkraft und die Spannung in der Zeichenkette, die das Segelflugzeug das Fallgewicht herstellen. Die Spannung wird gegen die Drehrichtung das Fallgewicht und haben die entgegengesetzten Vorzeichen wie der Schwerkraft in der Gleichung. Auf diese Weise wird Gleichung 1 
, wo T ist die Spannung und 
ist die Erdbeschleunigung (~9.8 m/s2). Während die Erdbeschleunigung unverändert bleibt, kann die Kraft erhöht werden, durch Hinzufügen von Masse.
Wie das Gewicht fällt, schafft es Spannungen in der Zeichenfolge, die das Segelflugzeug das Gewicht herstellen. Die Riemenscheibe ändert die Richtung der die Zugkraft von vertikal auf horizontal. Mit nichts sonst verbunden ist die Spannung in der Zeichenkette gleich der Kraft das Fallgewicht, das die gleiche Größe der Kraft für das Segelflugzeug gilt. Daher wird entspricht die Zugkraft T die Kraft auf den Schirm; 
Weil das Gewicht und den Schirm verbunden sind, deren Beschleunigung werden die gleichen für beide Objekte. Um die Beschleunigung auf den Schirm durch den Zug des Gewichts zu berechnen, werden die Kräfte gleichgesetzt.
, die gelöst werden:
. (Gleichung 2)
Um die Beschleunigung zu messen, wird ein Timer Photogate 20 cm von der ursprünglichen Position des Segelflugzeugs platziert. Die Beschleunigung kann aus der gemessenen Endgeschwindigkeit und zurückgelegte Strecke unter Verwendung der folgenden Gleichung berechnet werden:
, (Gleichung 3)
wo 
ist die Endgeschwindigkeit und 
ist die zurückgelegte Strecke. Die Fahne an der Spitze des Schirms wird die Photogate durchlaufen die Zeit der Schirm braucht erfassen wird, um durch das Tor passieren. Die Flagge ist 10 cm lang, so dass die Geschwindigkeit des Gleitschirms gleich der Länge der Flagge geteilt durch die Zeit ist.
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Procedure
1. Ersteinrichtung.
- Die Luft-Strecke wird eine Riemenscheibe an einem Ende angeschlossen haben. Binden Sie die Zeichenfolge an einem Ende des Schirms und führen Sie es durch die Riemenscheibe, wo es an das hängende Gewicht angeschlossen werden.
- Legen Sie den Schirm an der 190 cm-Marke auf die Luft weg. Stellen Sie den Photogate Zeitmesser an der 100-cm-Marke. Der Schirm selbst hat eine Masse von 200 g. den Schirm festhalten, damit es nicht zu bewegen und am Ende hängen Gewichte hinzufügen, so dass die gesamte Masse des Gewichts 10 g entspricht.
- Sobald die Gewichte vorhanden sind, lassen Sie den Schirm vom Rest und erfassen Sie die Geschwindigkeit des Gleitschirms. 5 Abfahrten führen und den Mittelwert zu nehmen.
- Berechnen Sie den theoretischen Wert für Beschleunigung Gleichung 2 mit dem experimentellen Wert aus Gleichung 3. Zum Beispiel, wenn der Schirm Masse von 200 g hat und die hängenden Gewichte eine Masse 10 g, dann die theoretische Beschleunigung aus Gleichung 2 haben, ist
wenn die gemessene Geschwindigkeit 0,95 m/s beträgt, dann mit Gleichung 3, der experimentelle Wert für die Beschleunigung ist
wenn die gemessene Geschwindigkeit 0,95 m/s beträgt, dann mit Gleichung 3, der experimentelle Wert für die Beschleunigung ist
2. Erhöhung der Mass des Gleitschirms.
- Fügen Sie vier Gewichte auf den Schirm, das Doppelte seiner Masse wird.
- Lassen Sie das System aus und notieren Sie die Geschwindigkeit des Gleitschirms. 5 Abfahrten führen und den Mittelwert zu nehmen. Der theoretische Wert für die Beschleunigung von Gleichung 2, und dem experimentellen Wert aus Gleichung 3berechnet.
3. Erhöhung der Kraft auf den Schirm.
- Fügen Sie mehr Masse das hängende Gewicht, so dass es eine Gesamtmasse von 20 g hat.
- Lassen Sie das System aus und notieren Sie die Geschwindigkeit des Gleitschirms. 5 Abfahrten führen und den Mittelwert zu nehmen.
- Der theoretische Wert für die Beschleunigung von Gleichung 2, und dem experimentellen Wert aus Gleichung 3berechnet.
- Fügen Sie mehr Masse das hängende Gewicht, so dass es eine Gesamtmasse von 50 g hat.
- Lassen Sie das System aus und notieren Sie die Geschwindigkeit des Gleitschirms. 5 Abfahrten führen und den Mittelwert zu nehmen.
- Der theoretische Wert für die Beschleunigung von Gleichung 2, und dem experimentellen Wert aus Gleichung 3berechnet.
Newtons zweite Gesetz beschreibt den Zusammenhang zwischen Kraft und Beschleunigung, und diese Beziehung ist eines der grundlegendsten Konzepte, die auf vielen Gebieten der Physik und Technik anwenden.
F ist gleich Ma ist der mathematische Ausdruck des Newtons zweites Gesetz. Dies zeigt, dass mehr Kraft benötigt wird, um ein Objekt einer größeren Masse bewegen. Es zeigt auch, dass für eine gegebene Kraft Beschleunigung umgekehrt proportional zur ist Masse. Das heißt, mit der gleichen Kraft, die kleineren Massen mehr als größere Massen beschleunigen angewendet
Hier zeigen wir ein Experiment, das Newtons zweite Gesetz überprüft, indem ein Segelflugzeug auf einer Strecke von fast reibungsfreie Luft Kräfte der verschiedenen Größen zuweisen
Bevor Sie gehen in die Details wie das Experiment ausgeführt, lassen Sie uns untersuchen die Konzepte und Gesetze, die die Datenanalyse und Interpretation beitragen.
Die Einrichtung besteht aus einer Luft-Spur, ein Segelflugzeug, Photogate Timer auf einen bekannten Abstand d von der Ausgangspunkt, eine Riemenscheibe und eine Zeichenfolge ausgeführt vom Schirm über die Umlenkrolle.
Man legt eine Gewicht auf das andere Ende der Zeichenfolge und gibt sie frei, gilt das Gewicht eine Kraft auf den Schirm, wodurch es zu beschleunigen. Diese Kraft ist durch Newtons zweites Gesetz gegeben. Zur gleichen Zeit werden die Kraft auf das Gewicht aufgrund der Gravitationsbeschleunigung abzüglich die Zugkraft in der Zeichenfolge, die das Segelflugzeug das Fallgewicht herstellen. Diese Zugkraft ist die Masse des Gewichts Mal die Beschleunigung des Gleitschirms.
Durch die Gleichsetzung der Kraft auf den Schirm mit der Kraft auf das Gewicht, kann man die Formel zur Beschleunigung des Schirms theoretisch zu berechnen ableiten.
Die experimentelle lässt sich der Schirm Beschleunigung berechnen mit Hilfe des Timers Photogate. Dies gibt uns die Verarbeitungszeit des Gleitschirms Abstand d vom Startpunkt zu reisen. Mithilfe dieser Informationen kann man den Schirm Geschwindigkeit berechnen und dann mit Hilfe dieser Formel Kinematik einer kann berechnen das Ausmaß der experimentellen Beschleunigung.
Nun, da wir die Prinzipien zu verstehen, mal sehen, wie man eigentlich dieses Experiment in einem Physiklabor durchführen
Wie bereits erwähnt, verwendet dieses Experiment ein Segelflugzeug, verbunden durch eine Linie, die über eine Umlenkrolle zu einem Gewicht. Das Segelflugzeug gleitet einen Hauch zu verfolgen, wodurch entsteht ein Luftpolster um Reibung zu vernachlässigendes Niveau zu reduzieren.
Da das Gewicht fällt, leitet die Riemenscheibe die Spannung in der Linie zu den Schirm ziehen die eine 10 cm lange Fahne an der Spitze. Ein Photogate in einem bekannten Abstand vom Ausgangspunkt zeichnet die Höhe der Zeitaufwand für die Flagge durchlässt
Das Segelflugzeug Endgeschwindigkeit ist die Länge der Flagge geteilt durch die Zeit der Photogate durchlaufen. Mit den Schirm Endgeschwindigkeit und die zurückgelegte Strecke ist es möglich um Beschleunigung zu berechnen.
Richten Sie das Experiment durch die Platzierung des Photogate Timers an die 100 cm-Marke auf der Luft-Strecke und der Schirm an die 190 cm-Marke. Der Schirm hat eine Masse von 200 Gramm. Den Schirm zu halten, so dass es nicht bewegen und am Ende der Zeichenfolge Gewichte hinzufügen, also insgesamt hängen Masse auch 10 Gramm
Sobald die Gewichte vorhanden sind, lassen Sie den Schirm, zeichnen Sie seine Geschwindigkeit für fünf Läufe auf und berechnen Sie den Mittelwert. Verwenden Sie die Masse der Schirm und das hängende Gewicht zu berechnen, die experimentellen und theoretischen Beschleunigungen dann zeichnen Sie die Ergebnisse.
Jetzt fügen Sie vier weitere Gewichte das Segelflugzeug, verdoppelt seine Masse bis 400 Gramm hinzu. Ort der Schirm an die 190 cm-Marke, das Experiment zu wiederholen. Lassen Sie den Gleitschirm und zeichnen Sie seine Geschwindigkeit für fünf Läufe auf. Auch hier berechnen Sie und erfassen Sie die Durchschnittsgeschwindigkeit und die experimentellen und theoretischen Beschleunigungen.
Entfernen Sie für den letzten Satz von Tests die Gewichte vom Schirm, so es seiner ursprünglichen Masse von 200 Gramm hat. Fügen Sie dann Gewichte auf die hängende Masse, bis es eine neue Masse von 20 Gramm hat. Wiederholen Sie das Experiment für eine weitere fünf Läufe.
Zu guter Letzt die hängende Masse mehr Gewichte hinzu, bis 50 Gramm ist und wiederholen Sie das Experiment für fünf mehr läuft.
Zur Erinnerung: die theoretische Beschleunigung des Gleitschirms die Beschleunigung aufgrund der Schwerkraft g multipliziert mit dem Verhältnis von der Masse das Fallgewicht und die Masse des Gewichts und der Schirm zusammen entspricht. Die theoretischen Werte in dieser Tabelle Show abnimmt Beschleunigung als die Masse der Schirm steigt.
Im Gegensatz dazu erhöht die Beschleunigung als die Masse des fallenden Gewicht erhöht, aufgrund der größeren Kraft. Beachten Sie, dass die Beschleunigungen vorhergesagt durch diese Gleichung können einen maximalen Wert von g, die 9,8 Meter pro Sekunde im Quadrat ist.
Nächstes Mal sehen, wie die experimentelle Beschleunigung berechnen. Der erste Test z. B. ein 200-Gramm-Schirm und ein Gewicht von 10 Gramm. Die durchschnittliche Geschwindigkeit nach einer Reise von 100 Zentimeter war 0,93 Meter pro Sekunde. Mit Hilfe der Kinematik-Gleichung diskutiert, bevor, die experimentelle Beschleunigung kommt auf 0,43 Meter pro Sekunde Quadrat. Diese gleiche Berechnung angewendet für andere Tests, führt zu den Ergebnissen auf dieser Tabelle angezeigt.
Die Unterschiede zwischen experimentellen und theoretischen Beschleunigungen können mehrere Ursachen haben, einschließlich Einschränkungen in der Messgenauigkeit, die sehr klein, aber nicht völlig vernachlässigbar Reibung auf der Luft-Strecke und der Atemhöhle unter den Schirm, die hinzufügen oder entfernen aus der Kraft der Spannung entlang der Saite.
Kräfte sind in fast alle Phänomene des Universums. Kräfte auf die Erde gestürzt, Einfluss auf alle Aspekte des täglichen Lebens.
Anschlagen des Fells kann dazu führen, dass Trauma und kognitive Funktionen beeinträchtigen. Eine Studie über Sport Verwandte Gehirnerschütterungen verwendet spezielle Eishockey Helme mit 3-Achsen-Beschleunigungsmesser ausgestattet, um Beschleunigung während des Aufpralls zu messen.
Daten wurden per Telemetrie auf Laptop-Computern, die die Messungen für die spätere Analyse aufgezeichnet. Kenntnis der Beschleunigungen und die Masse des Kopfes, war es möglich, verwenden Sie Newtons zweite Gesetz, F = Ma, um die Auswirkungen auf das Gehirn zwingt zu berechnen.
Bauingenieure bauen Stege interessieren sich für die Untersuchung der Wirkung von Gewalt durch Fuß Last auf diese Strukturen induziert. In dieser Studie die Forscher Sensoren auf eine Fußgängerbrücke, die Schwingungen induziert durch die Fußgänger gemessen gelegt. Die strukturelle Antwort war dann in Bezug auf die vertikale Beschleunigung gemessen, die ein wichtiger Parameter bei der Untersuchung der Stabilität dieser Strukturen ist
Sie sah nur Jupiters Einführung in Kraft und Beschleunigung. Sie sollten jetzt verstehen die Prinzipien und das Protokoll hinter der Laborexperiment, das zweite Gesetz des Newtons der Bewegung überprüft. Wie immer vielen Dank für das ansehen!
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Results
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% Unterschied |
| 200 | 10 | 0.93 | 0,47 | 0,43 | 9 |
| 400 | 10 | 0.66 | 0,24 | 0,22 | 9 |
| 200 | 20 | 1.28 | 0,89 | 0,82 | 9 |
| 200 | 50 | 1.96 | 1,69 | 1.92 | 145 |
Die Ergebnisse dieses Experiments bestätigen die Prognosen von den Gleichungen 2 und 3. Mit der erhöhten Masse des Segelflugzeugs in Schritt 2 war die Beschleunigung kleiner, weil eine größere Kraft nötig wäre, um den Schirm auf der gleichen Geschwindigkeit wie in Schritt 1 zu beschleunigen. In Schritt 3 die erhöhte Masse des Gewichts hängen in der Tat die Kraft auf den Schirm und damit die Beschleunigung erhöhen. Die Beschleunigung wurde mit der Masse erhöht, wie vorhergesagt.
Reibung war dank der Luftpolster zwischen den Schirm und die Strecke fast auf Null. Die Luftblase ist nicht perfekt, aber, und die Luft aus dem Weg könnte den Schirm in eine bestimmte Richtung schieben. Dies kann getestet werden, dadurch, dass den Schirm auf dem Luft-weg mit keine Gewalt angewendet zu sitzen. Wenn der Schirm in eine beliebige Richtung bewegt, möglicherweise etwas Kraft auf den Schirm aus dem Weg.
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Applications and Summary
Newtons zweite Gesetz ist grundsätzlich mit der Bewegung Menschen Erfahrung jeden Tag verbunden. Ohne Kraft ein Objekt wird nicht beschleunigen und bleibt in Ruhe oder wird weiterhin mit einer konstanten Geschwindigkeit zu bewegen. Also, wenn jemand will etwas bewegen, wie z. B. beim Auftreffen auf ein Baseball eine gewisse Distanz, genügender Kraft aufgewendet werden muss. Die Kraft kann mit so einfach wie eine Gleichung berechnet werden
Ebenso es eine gewisse Kraft dauert, ein Objekt zu beschleunigen, nimmt es die gleiche Menge an Kraft, die Geschwindigkeit eines Objekts auf Null zu bringen. Indem man , es ist klar, dass ein bitterer mit viel Masse viel schwieriger, als ein Objekt mit einer kleineren Masse zu stoppen. Es ist einfacher, ein Fahrrad als einen Zug zu stoppen! Je schneller geht etwas, die weitere Beschleunigung ist erforderlich, um es zum Stillstand zu bringen, so dauert es viel mehr Kraft, um eine Kugel als ein Basketball zu stoppen.
Newtons zweite Gesetz wird ein bisschen komplizierter, wenn die Komponenten der Kraft mit der Zeit ändern. Für ein Objekt, bei dem einige Auftritt ziehen Sie Art von Gewalt, wie Luftwiderstand, seine Beschleunigung kann mit der Zeit ändern. Eine Rakete ist ein Beispiel für ein Objekt mit einer Masse, die mit der Zeit ändert. Da die Rakete Kraftstoff verbrennt, seine Masse wird kleiner, und es tatsächlich erfordert weniger Kraft, wie die Zeit vergeht zu beschleunigen.
In diesem Experiment wurden die Komponenten der Kraft untersucht. Newtons zweite Gesetz besagt, dass Kraft gleich der Masse des Objektes multipliziert mit der Beschleunigung. Durch die Anpassung der Mass des Segelflugzeugs, verringerte sich die Beschleunigung des Gleitschirms. Mit erhöhter Kraft auf den Schirm war die Beschleunigung wurde Newtons zweite Gesetz bestätigt. Die Ergebnisse dieses Experiments sollte genau, solange gibt es keine anderen Kräfte auf den Schirm. Deshalb in diesem Experiment mit einem Luft-Track Reibung reduziert wurde.
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