Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove

A subscription to JoVE is required to view this content.
You will only be able to see the first 20 seconds.

 

Overview

출처: 니콜라스 티몬스, 아산타 쿠레이, 박사, 물리학 및 천문학학과, 물리 과학 학교, 캘리포니아 대학, 어바인, 캘리포니아

이 실험의 목적은 힘에 의해 행동되는 글라이더의 가속을 측정하여 뉴턴의 두 번째 법칙을 사용하여 힘의 구성 요소와 모션과의 관계를 이해하는 것입니다.

일상 생활에서 운동의 거의 모든 측면은 아이작 뉴턴의 운동의 세 가지 법칙을 사용하여 설명 할 수 있습니다. 그들은 움직이는 물체가 어떻게 움직이는경향이 있는지 (첫 번째 법칙), 그물 힘 (두 번째 법칙)에 의해 행동 할 때 물체가 가속화되며, 물체에 의해 가해지는 모든 힘은 그 개체 (세 번째 법칙)에 다시 가해지는 동등하고 반대의 힘을 갖습니다. 거의 모든 고등학교 및 학부 역학은 이러한 간단한 개념을 기반으로합니다.

Principles

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

물리학의 모든에서 가장 유명한 방정식 중 하나는 뉴턴의 두 번째 법칙입니다 :

Equation 1. (방정식 1)

단순히 오브젝트의 힘이 가속도의 질량과 동일하다고 명시합니다.

다음 실험에서 글라이더는 풀리에 의해 떨어지는 무게에 연결됩니다. 글라이더가 트랙을 따라 미끄러지면 측정하기 어려운 추가 힘이 발생하기 때문에 글라이더는 마찰을 줄이기 위해 에어 트랙에 있을 것입니다. 에어 트랙은 글라이더와 트랙 사이의 공기 쿠션을 생성하여 마찰을 약 0으로 줄입니다. 무게의 힘은 방정식 1에따라 글라이더를 가속화합니다.

무게의 힘은 중력과 글라이더에 떨어지는 무게를 연결하는 문자열의 장력 때문입니다. 장력은 떨어지는 무게의 방향에 반대하며 방정식에서 중력의 힘으로 반대의 표시를 해야합니다. 따라서, 수학식 1은 Equation 2 T가 장력이고 Equation 3 중력(~9.8m/s2)으로인한 가속도인 가속도가 된다. 중력으로 인한 가속은 동일하게 유지되지만 질량을 추가하여 힘을 늘릴 수 있습니다.

무게가 떨어지면 중량을 글라이더에 연결하는 문자열의 장력을 만듭니다. 풀리는 장력력의 방향을 수직에서 수평으로 변경합니다. 다른 연결된 문자열의 장력은 글라이더에 동일한 크기의 힘을 적용하는 떨어지는 무게의 힘과 동일합니다. 따라서 글라이더의 힘은 장력 력 T와 동일합니다. Equation 5 중량과 글라이더가 연결되어 있기 때문에 두 오브젝트 모두 가속도가 동일합니다. 중량의 당김으로 인해 글라이더의 가속을 계산하기 위해 힘이 동일시됩니다.

Equation 7 , Equation 6

Equation 8. (방정식 2)

가속을 측정하기 위해, 포토게이트 타이머는 글라이더의 초기 위치에서 20cm 를 배치한다. 가속은 측정된 최종 속도와 다음 방정식을 사용하여 이동한 거리에서 계산할 수 있습니다.

Equation 9, (수학식 3)

마지막 속도는 어디로 Equation 10 Equation 11 이동합니다. 글라이더 의 상단에있는 플래그는 글라이더가 게이트를 통과하는 데 걸리는 시간을 기록합니다 포토 게이트를 통과합니다. 깃발길이는 10cm이므로 글라이더의 속도는 깃발 길이와 같으며 시간이 다됩니다.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Procedure

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

1. 초기 설정.

  1. 에어 트랙은 한쪽 끝에 연결된 풀리가 있습니다. 글라이더의 한쪽 끝에 끈을 묶고 풀리를 통과하여 매달려 있는 무게에 연결됩니다.
  2. 글라이더를 190cm 마크에 놓습니다. 포토게이트 타이머를 100cm 마크에 놓습니다. 글라이더 자체는 질량이 200g입니다. 글라이더를 잡고 이동하지 않도록 글라이더를 잡고 걸다 끝에 가중치를 추가하여 무게의 총 질량이 10g에 같습니다.
  3. 가중치가 제자리에 있으면 글라이더를 나머지에서 해제하고 글라이더의 속도를 기록합니다. 5 실행을 수행하고 평균 값을.
  4. 방정식 2와 수학식 3의 실험 값을 사용하여 가속에 대한 이론적 값을 계산합니다. 예를 들어, 글라이더의 질량이 200g이고 매달려 있는 가중치가 질량 10g을 가지면, 수학식 2에서이론적 Equation 12 가속은, 측정된 속도가 0.95 m/s인 경우, 다음, 방정식 3을사용하여, 가속을 위한 실험값은Equation 13

2. 글라이더의 질량을 증가.

  1. 글라이더에 무게 4개를 추가하여 질량을 두 배로 늘릴 수 있습니다.
  2. 시스템을 나머지에서 해제하고 글라이더의 속도를 기록합니다. 5 실행을 수행하고 평균 값을. 방정식 2에서가속에 대한 이론적 값과 수학식 3에서실험 값을 계산합니다.

3. 글라이더의 힘을 증가시면 됩니다.

  1. 총 질량이 20g이 되도록 매달려 있는 무게에 질량을 더 넣습니다.
  2. 시스템을 나머지에서 해제하고 글라이더의 속도를 기록합니다. 5 실행을 수행하고 평균 값을.
  3. 방정식 2에서가속에 대한 이론적 값과 수학식 3에서실험 값을 계산합니다.
  4. 총 질량이 50g이 되도록 매달려 있는 무게에 질량을 더 넣습니다.
  5. 시스템을 나머지에서 해제하고 글라이더의 속도를 기록합니다. 5 실행을 수행하고 평균 값을.
  6. 방정식 2에서가속에 대한 이론적 값과 수학식 3에서실험 값을 계산합니다.

뉴턴의 두 번째 법칙은 힘과 가속 사이의 관계를 설명하고이 관계는 물리학 및 공학의 많은 분야에 적용되는 가장 기본적인 개념 중 하나입니다.

F는 뉴턴의 두 번째 법칙의 수학적 표현이다. 이는 더 큰 질량의 개체를 이동하려면 더 큰 힘이 필요하다는 것을 보여줍니다. 또한 주어진 힘 가속이 질량에 반비례한다는 것을 보여줍니다. 즉, 동일한 적용 된 힘으로 작은 질량은 큰 질량보다 더 가속화

여기서 우리는 거의 마찰없는 공기 트랙에 글라이더에 다른 크기의 힘을 적용하여 뉴턴의 두 번째 법칙을 검증하는 실험을 시연 할 것입니다.

실험을 실행하는 방법에 대한 세부 사항을 입력하기 전에 데이터 분석 및 해석에 기여하는 개념과 법률을 연구해 보겠습니다.

설정은 에어 트랙, 글라이더, 시작 지점에서 d로 알려진 거리의 포토게이트 타이머, 풀리, 글라이더에서 풀리에서 실행되는 문자열로 구성됩니다.

하나는 문자열의 다른 끝에 무게를 부착하고 그것을 해제하는 경우, 무게는 가속을 일으키는 글라이더에 힘을 적용됩니다. 이 힘은 뉴턴의 두 번째 법칙에 의해 주어진다. 동시에, 중량의 힘은 중력 가속으로 인해 글라이더에 떨어지는 중량을 연결하는 현의 장력력을 뺀 것입니다. 이 장력력은 글라이더의 가속중량 시간의 질량이다.

글라이더의 힘을 무게의 힘과 동일시함으로써 이론적으로 글라이더의 가속을 계산하기 위해 수식을 파생시킬 수 있습니다.

글라이더의 가속을 계산하는 실험적인 방법은 포토게이트 타이머의 도움으로 진행됩니다. 이것은 우리에게 시작 지점에서 이동 거리 D에 글라이더에 의해 촬영 시간을 제공합니다. 이 정보를 사용하여 글라이더의 속도를 계산한 다음 이 운동학 공식의 도움으로 실험 가속의 크기를 계산할 수 있습니다.

이제 원칙을 이해하게 되었으므로 물리 실험실에서 이 실험을 실제로 수행하는 방법을 살펴보겠습니다.

앞에서 언급했듯이 이 실험은 풀리를 통해 무게로 지나가는 선으로 연결된 글라이더를 사용합니다. 글라이더는 공기 트랙을 따라 미끄러지며, 이는 마찰을 무시할 수 있는 수준으로 줄이기 위해 공기 쿠션을 만듭니다.

무게가 떨어지면 풀리는 라인의 긴장을 리디렉션하여 상단에 10cm 길이의 깃발이 있는 글라이더를 당깁니다. 시작지점에서 알려진 거리의 포토게이트는 플래그가 통과하는 데 걸리는 시간을 기록합니다.

글라이더의 마지막 속도는 포토게이트를 통과하는 시간으로 나뉘어진 깃발길이입니다. 글라이더의 최종 속도와 이동 거리로 가속을 계산할 수 있습니다.

포토게이트 타이머를 에어 트랙의 100cm 마크에 놓고 글라이더를 190cm 마크에 배치하여 실험을 설정합니다. 글라이더의 질량은 200 그램입니다. 글라이더를 잡고 움직이지 않도록 하고 스트링 끝에 가중치를 추가하여 총 매달려 질량도 10그램이 되도록 합니다.

가중치가 제자리에 있으면 글라이더를 해제하고 5번의 실행 속도를 기록하고 평균을 계산합니다. 글라이더의 질량과 매달려 무게를 사용하여 실험 및 이론적 가속도를 계산한 다음 결과를 기록합니다.

이제 글라이더에 4개의 가중치를 추가하여 질량을 400그램으로 두 배로 늘렸습니다. 글라이더를 190cm 마크에 놓아 실험을 반복합니다. 글라이더를 해제하고 5 실행에 대한 속도를 기록합니다. 다시, 계산하고 평균 속도와 실험 및 이론적 가속을 기록합니다.

테스트의 마지막 세트에 대 한, 그것은 200 그램의 원래 질량을 가지고 있도록 글라이더에서 무게를 제거 합니다. 그런 다음 20 그램의 새로운 질량이 될 때까지 매달려 질량에 무게를 추가합니다. 또 다른 5 개의 실행에 대한 실험을 반복합니다.

마지막으로, 50 그램이 될 때까지 매달려 질량에 더 많은 무게를 추가하고 5 개의 더 많은 실행을 위해 실험을 반복하십시오.

상기 글라이더의 이론적 가속은 중력 g로 인한 가속도와 같으며, 떨어지는 중량의 질량과 중량 및 글라이더의 질량을 함께 곱한다. 이 표의 이론적 값이 표시되면 글라이더의 질량이 증가함에 따라 가속이 감소합니다.

반대로, 더 큰 힘으로 인해 떨어지는 무게의 질량이 증가함에 따라 가속이 증가합니다. 이 방정식에서 예측한 가속도는 초당 9.8m의 최대 g값을 가질 수 있습니다.

다음으로 실험 가속을 계산하는 방법을 살펴보겠습니다. 예를 들어, 첫 번째 테스트는 200그램 글라이더와 10그램의 무게를 사용했습니다. 100cm를 주행한 후의 평균 속도는 초당 0.93m였습니다. 이전에 설명한 운동 방정식을 사용하여 실험 가속은 초당 0.43 미터로 나아납니다. 다른 테스트에 적용된 이 동일한 계산은 이 표에 표시된 결과를 생성합니다.

실험적 가속도와 이론적 가속도의 차이는 측정 정확도의 한계, 에어 트랙의 매우 작지만 완전히 무시할 수 없는 마찰, 글라이더 아래의 에어 포켓 등 여러 가지 원인이 있을 수 있으며, 이는 현을 따라 장력의 힘을 추가하거나 빼는 것을 포함할 수 있다.

힘은 우주의 거의 모든 현상에 존재한다. 지구로 내려온 힘은 일상 생활의 모든 측면에 영향을 미칩니다.

머리를 때리는 것은 외상을 일으키고 인지 기능을 손상시킬 수 있습니다. 스포츠 관련 뇌진탕에 대한 연구는 충격 시 가속을 측정하기 위해 3축 가속도계가 장착된 특수 하키 헬멧을 사용했습니다.

데이터는 원격 분석을 통해 랩톱 컴퓨터로 전송되었으며, 이는 나중에 분석을 위한 측정값을 기록했습니다. 헤드의 가속과 질량을 알고, 그것은 뉴턴의 두 번째 법칙, F = ma를 사용하여 뇌에 충격 힘을 계산할 수 있었다.

인도교를 구축하는 토목 엔지니어는 이러한 구조에 발 부하에 의해 유도 된 힘의 효과를 연구에 관심이 있습니다. 이 연구에서 연구원들은 보행자가 유도한 진동을 측정하는 보도 교량에 센서를 배치했습니다. 구조 반응은 이러한 구조의 안정성을 연구하는 중요한 매개 변수인 수직 가속 측면에서 측정되었습니다.

당신은 힘과 가속에 대한 JoVE의 소개를 보았다. 이제 뉴턴의 두 번째 동작 법칙을 검증하는 랩 실험의 원리와 프로토콜을 이해해야 합니다. 언제나처럼, 시청주셔서 감사합니다!

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Results

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here
Equation 14
Equation 15
Equation 16
Equation 15
Equation 10
Equation 17
Equation 18
Equation 19
Equation 20 % 차이
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

이 실험의 결과는 방정식 2와 3에의해 만들어진 예측을 확인합니다. 2단계에서 글라이더의 질량이 증가함에 따라 글라이더를 1단계와 동일한 속도로 가속하기 위해 더 큰 힘이 필요하기 때문에 가속이 작아졌습니다. 3단계에서, 매달려 있는 무게의 질량이 증가하여 글라이더의 힘을 실제로 증가시켰으며, 따라서 가속이 증가했습니다. 예상대로 질량이 증가하면서 가속이 증가했습니다.

글라이더와 트랙 사이의 에어 쿠션 덕분에 마찰은 거의 제로였습니다. 그러나 공기 주머니는 완벽하지 않으며 트랙의 공기가 글라이더를 특정 방향으로 밀어 넣을 수 있습니다. 이 테스트는 글라이더가 에어 트랙에 앉을 수 있도록 하여 테스트할 수 있으며, 힘이 적용되지 않습니다. 글라이더가 어느 방향으로든 움직이면 트랙에서 글라이더에 약간의 힘이 있을 수 있습니다.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Applications and Summary

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

뉴턴의 두 번째 법은 근본적으로 사람들이 매일 경험하는 움직임에 연결되어 있습니다. 어떤 힘이 없으면 오브젝트가 가속되지 않고 휴식을 유지하거나 일정한 속도로 계속 이동합니다. 따라서 야구를 특정 거리에 타격할 때와 같이 무언가를 움직이려면 충분한 힘을 적용해야 합니다. 힘은 방정식으로 계산할 수 있습니다. Equation 21

개체를 가속화하는 데 특정 힘이 걸리는 것처럼 오브젝트의 속도를 0으로 낮추기 위해 동일한 양의 힘이 필요합니다. 살펴보면 Equation 1 질량이 많은 비참한 행위는 질량이 적은 물체보다 멈추기가 훨씬 더 어렵다는 것이 분명합니다. 기차보다 자전거를 멈추는 것이 더 쉽습니다! 더 빨리 무언가를 가고, 더 많은 가속이 정지에 그것을 가지고 필요, 그래서 농구보다 총알을 중지하는 훨씬 더 많은 힘이 필요합니다.

뉴턴의 두 번째 법칙은 힘의 구성 요소가 시간에 따라 변경될 때 조금 더 복잡해집니다. 공기 저항과 같은 일종의 항력이 발생하는 오브젝트의 경우 시간이 지남에 따라 가속이 변경될 수 있습니다. 로켓은 시간에 따라 변경되는 질량이 있는 물체의 예입니다. 로켓이 연료를 태우면 질량이 작아지고 시간이 지남에 따라 가속할 힘이 줄어듭니다.

이 실험에서는 힘의 구성 요소를 검사하였다. 뉴턴의 두 번째 법칙에 따르면 힘은 가속을 곱한 물체의 질량과 동일합니다. 글라이더의 질량을 조정함으로써 글라이더의 가속이 감소했습니다. 글라이더의 힘이 증가하면서 가속이 증가하여 뉴턴의 두 번째 법칙을 확인했습니다. 글라이더에 작용하는 다른 힘이 없는 한 이 실험의 결과는 정확해야 합니다. 이 때문에 에어 트랙을 사용하여 이 실험에서 마찰이 감소되었습니다.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Transcript

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the English version.

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter