Kaip Veikia Niutono Lopšiai

{h1}

Niutono lopšio sferos parodo, kaip išsaugomas impulsas ir energija perduodant jėgą vienas kitam. Skaitykite daugiau „WordsSideKick.com“.

Tikriausiai jūs jau matėte šią kontracepciją: Penki maži sidabriniai rutuliukai kabo visiškai tiesia linija plonais siūlais, kurie juos pritvirtina prie dviejų lygiagrečių horizontalių strypų, kurie savo ruožtu pritvirtinami prie pagrindo. Jie sėdi ant biurų stalų visame pasaulyje.

Jei ištrauksite rutulį aukštyn ir iš jo, tada jį paleisite, jis kris atgal ir garsiai spragtelėdamas susidurs su kitais. Tada vietoj visų keturių likusių rutuliukų, išsikišusių, tik priešingame gale esantis rutulys šokinėja į priekį, palikdamas bendražygius užpakalyje. Tas rutulys lėtėja iki sustojimo, o po to krinta atgal, ir visi penki yra trumpai sujungti, prieš vėl perduodant pirmąjį rutulį iš grupės.

Tai yra Niutono lopšys, dar vadinamas Niutono arkliuku arba rutulio spustelėjimu. Tai 1967 m. Pavadino anglų aktorius Simonas Prebble'as savo tautiečio ir revoliucinio fiziko Isaaco Newtono garbei.

Nepaisant iš pažiūros nesudėtingo dizaino, Niutono lopšys ir svyruojantys, spustelintys rutuliai nėra tik paprastas stalo žaislas. Tiesą sakant, tai yra elegantiškas kai kurių esminių fizikos ir mechanikos įstatymų demonstravimas.

Žaislas iliustruoja tris pagrindinius fizikos principus darbe: energijos taupymą, impulsų ir trinties išsaugojimą. Šiame straipsnyje apžvelgsime tuos principus, elastinius ir neelastinius susidūrimus, kinetinę ir potencialią energiją. Taip pat panagrinėsime tokių puikių mąstytojų, kaip Rene Descartes, Christiaan Huygens ir paties Isaac Newton, darbus.

Niutono lopšio istorija

Seras Izaokas Niutonas

Seras Izaokas Niutonas

Atsižvelgiant į tai, kad Izaokas Niutonas buvo vienas iš ankstyvųjų šiuolaikinės fizikos ir mechanikos įkūrėjų, visiškai suprantama, kad jis sugalvos kažką panašaus į lopšį, kuris taip paprastai ir elegantiškai parodo keletą pagrindinių judesio dėsnių, kuriuos padėjo apibūdinti.

Bet jis to nepadarė.

Nepaisant savo pavadinimo, Niutono lopšys nėra Izaoko Niutono išradimas, o faktiškai prietaiso mokslas buvo ankstesnis už Niutono fizikos karjerą. Johnas Wallisas, Christopheris Wrenas ir Christiaanas Huygensas 1662 m. Pateikė Karališkajai draugijai dokumentus, kuriuose aprašomi teoriniai principai, kurie veikia Niutono lopšyje. Visų pirma Huygensas atkreipė dėmesį į impulsų ir kinetinės energijos išsaugojimą [šaltinis: Hutzler, etal]. Tačiau Huygenas nenaudojo termino „kinetinė energija“, nes frazė nebus sukurta beveik dar šimtmetį; jis vietoj to paminėjo „kiekį, proporcingą masės ir greičio kvadratui“ [šaltinis: Hutzler ir kt.].

Išsaugoti pagreitį pirmiausia pasiūlė prancūzų filosofas Rene Descartesas (1596 - 1650), tačiau jis nesugebėjo visiškai išspręsti problemos - jo formuluotė buvo tokia, kad impulsas buvo lygus masės ir greičio greičiui (p = mv). Nors tai veikė kai kuriose situacijose, ji neveikė susidūrimų tarp objektų atveju [šaltinis: Fowler].

Tai buvo Huygensas, kuris pasiūlė formulėje „greitį“ pakeisti į „greitį“, kuris ir išsprendė problemą. Skirtingai nuo greičio, greitis reiškia judėjimo kryptį, todėl dviejų to paties dydžio objektų, važiuojančių tuo pačiu greičiu priešingomis kryptimis, impulsas būtų lygus nuliui.

Nors ir nesukūręs mokslo už lopšio, Niutonas gauna vardo vardą dėl dviejų pagrindinių priežasčių. Pirma, impulsų išsaugojimo dėsnį galima išvesti iš jo antrosios judėjimo dėsnis (jėga lygi masės ir pagreičio santykiams arba F = ma). Ironiška, bet Niutono judėjimo įstatymai buvo paskelbti 1687 m., Praėjus 25 metams po to, kai Huygenas pateikė impulsų išsaugojimo įstatymą. Antra, Niutonas turėjo didesnį bendrą poveikį fizikos pasauliui ir todėl daugiau šlovės nei Huygensas.

Niutono lopšio projektavimas ir statyba

Nors estetinių modifikacijų gali būti daug, normalus Niutono lopšys yra labai paprastas: Keletas rutulių pakabinami linijoje iš dviejų skersinių, lygiagrečių rutulių linijai. Šie skersiniai tvirtinami prie sunkaus pagrindo, kad būtų stabilūs.

Ant mažų lopšių rutuliai pakabinami nuo skersinių lengva viela, o rutuliai yra apversto trikampio taške. Tai užtikrina, kad rutuliai gali pasisukti tik vienoje plokštumoje, lygiagrečiai skersinėms. Jei rutulys galėtų judėti bet kurioje kitoje plokštumoje, jis kitiems smūgiams suteiktų mažiau energijos arba visai jų praleistų, o prietaisas taip pat neveiks, jei jo apskritai nėra.

Idealiu atveju visi rutuliai yra vienodo dydžio, svorio, masės ir tankio. Skirtingo dydžio kamuoliukai vis tiek veiktų, tačiau fizinių principų demonstravimas taptų ne toks aiškus. Lopšys skirtas parodyti energijos išsaugojimą ir pagreitį, kurie abu yra susiję su mase. Vieno rutulio smūgis perkels kitą tos pačios masės rutulį tuo pačiu atstumu tuo pačiu greičiu. Kitaip tariant, su antruoju rutuliu jis atliks tiek pat darbų, kiek sunkiai. Didesniam rutuliui reikia daugiau energijos, norint judėti tuo pačiu atstumu - taigi, kol lopšys vis tiek veiks, sunkiau įžvelgti lygiavertiškumą.

Kol rutuliai yra vienodo dydžio ir tankio, jie gali būti tiek dideli, tiek maži, kiek jums patinka. Rutuliai turi būti gerai išlyginti centre, kad lopšys veiktų geriausiai. Jei rutuliai atsitrenkia vienas į kitą kitame taške, energija ir pagreitis prarandami siunčiant kita linkme. Paprastai yra nelyginis kamuolių skaičius, dažniausiai paplitę penki ir septyni, nors bet koks skaičius veiks.

Taigi, kai mes apžvelgėme, kaip rutuliai yra išdėstomi, pažiūrėkime iš ko jie pagaminti ir kodėl.

Kamuolių kompozicija Niutono lopšyje

Niutono lopšyje idealūs rutuliai yra pagaminti iš medžiagos, kuri yra labai elastinga ir vienodo tankio. Elastingumas yra medžiagos gebėjimas deformuotis ir grįžti į pradinę formą neprarandant energijos; labai elastingos medžiagos praranda mažai energijos, neelastingos medžiagos praranda daugiau energijos. Niutono lopšys ilgiau judės rutuliais, pagamintais iš elastingesnės medžiagos. Gera nykščio taisyklė: kuo geriau kažkas atšoka, tuo didesnis jo elastingumas.

Nerūdijantis plienas yra įprasta Niutono lopšio rutulių medžiaga, nes jis yra labai elastingas ir palyginti pigus. Kiti elastingi metalai, tokie kaip titanas, taip pat gerai veiktų, tačiau yra gana brangūs.

Gali neatrodyti, kad rutuliai lopšyje labai smarkiai deformuotųsi smūgio metu. Tai tiesa - jie to nedaro. Nerūdijančio plieno rutulys gali suspausti tik keliais mikronais, kai jis trenkiasi į kitą rutulį, tačiau lopšys vis tiek veikia, nes plienas atsilieka neprarasdamas daug energijos.

Rutulių tankis turėtų būti vienodas, kad energija per juos būtų perduodama kuo mažiau trukdžių. Pakeitus medžiagos tankį, pasikeis energijos pernešimo būdas. Apsvarstykite vibracijos perdavimą per orą ir per plieną; kadangi plienas yra daug tankesnis už orą, vibracija per plieną bus tolimesnė nei per orą, atsižvelgiant į tai, kad iš pradžių tiek pat energijos sunaudojama. Taigi, jei, pavyzdžiui, Niutono lopšio rutulys yra tankesnis vienoje pusėje nei kita, energija, kurią jis perduoda mažiau tankios pusės, gali skirtis nuo energijos, kurią ji gavo iš tankesnės pusės, o skirtumas prarastas iki trinties.

Kiti rutulių tipai, dažniausiai naudojami Niutono lopšiuose, ypač skirti daugiau demonstravimui nei demonstravimui, yra biliardo ir boulingo rutuliai, kurie abu yra pagaminti iš įvairių rūšių labai kietų dervų.

Lieti ten!

Amorfiniai metalai yra naujo tipo labai elastingas lydinys. Gamybos metu išlydytas metalas labai greitai atšaldomas, todėl jis kietėja su savo molekulėmis atsitiktine tvarka, o ne tokiuose kristaluose kaip normalūs metalai. Tai daro juos stipresnius nei kristaliniai metalai, nes nėra paruoštų šlyties taškų. Amorfiniai metalai labai gerai veiktų Niutono lopšiuose, tačiau šiuo metu juos gaminti labai brangu.

Energijos taupymas

energijos taupymo įstatymas teigia, kad energijos - galimybės dirbti - negali būti sukurtos ar sunaikintos. Tačiau energija gali pakeisti formas, kuriomis pasinaudoja Niutono lopšys - ypač potencialios energijos pavertimą kinetine energija ir atvirkščiai. Potencinė energija ar energijos objektai yra kaupiami dėl sunkio jėgos arba dėl savo elastingumo. Kinetinė energija yra energijos objektai, kuriuos juda.

Skaičiuokime rutulius nuo vieno iki penkių. Kai visi penki yra ramybėje, kiekvieno iš jų energija yra nulinė, nes jie negali judėti toliau, o kinetinė energija yra nulinė, nes jie nejuda. Pakėlus pirmąjį rutulį, jo kinetinė energija išlieka lygi nuliui, tačiau jo potencinė energija yra didesnė, nes gravitacija gali priversti jį kristi. Išleidus rutulį, jo kritimo metu jo potencinė energija paverčiama kinetine energija dėl darbo sunkumo.

Kai rutulys pasiekė žemiausią tašką, jo potencinė energija yra lygi nuliui, o jo kinetinė energija yra didesnė. Kadangi energijos negalima sunaikinti, rutulio didžiausia potenciali energija yra lygi didžiausiai jo kinetinei energijai. Kai vienas rutulys pataiko į antrąjį rutulį, jis iškart sustoja, jo kinetinė ir potencinė energija vėl tampa lygi nuliui. Tačiau energija turi kažkur patekti į antrąjį rutulį.

Pirmojo rutulio energija perduodama į antrąjį rutulį kaip potenciali energija, nes ji suspaudžiama veikiant smūgio jėgai. Kai „Ball Two“ grįžta į savo pradinę formą, ji vėl paverčia savo potencialią energiją į kinetinę energiją, ją perduodama į trečiąjį rutulį suspaudžiant. Rutulys iš esmės veikia kaip spyruoklė.

Šis energijos perdavimas tęsiasi tolyn, kol jis pasiekia rutulį „Five“, paskutinį eilutėje. Grįžęs į savo pradinę formą, jis neturi kito rutulio, kurį būtų galima suspausti. Vietoj to, jos kinetinė energija stumia rutulį Ketvirtas, todėl rutulys Penktas pasislenka. Dėl energijos taupymo „Ball Five“ kinetinės energijos kiekis bus toks pat kaip „Ball One“, taigi jis pasisuks tokiu pat greičiu, kokį turėjo „Ball One“, kai pataikė.

Vienas krentantis rutulys suteikia pakankamai energijos, kad galėtų judinti kitą rutulį tuo pačiu atstumu, kuriuo jis nukrito, tuo pačiu greičiu, kuriuo nukrito. Panašiai du rutuliai suteikia pakankamai energijos judėti dviem rutuliams ir pan.

Bet kodėl rutulys ne tik atšoka taip, kaip jis atsirado? Kodėl judesys tęsiamas tik viena kryptimi? Štai kur įgauna pagreitį.

Momentumo išsaugojimas

Momentas yra judančių objektų jėga; viskas, kas juda, turi greitį, lygų jo masei, padaugintai iš greičio. Kaip energija, impulsas yra išsaugomas. Svarbu pažymėti, kad impulsas yra a vektoriaus kiekis, reiškia, kad jėgos kryptis yra jos apibrėžimo dalis; nepakanka pasakyti, kad objektas įgauna pagreitį, jūs turite pasakyti, kuria kryptimi tas impulsas veikia.

Kai „Ball One“ pasiekia „Ball Two“, jis važiuoja tam tikra kryptimi - tarkime, iš rytų į vakarus. Tai reiškia, kad jos impulsas juda ir į vakarus. Bet koks judesio krypties pakeitimas būtų impulso pasikeitimas, kuris negali įvykti be pašalinės jėgos įtakos. Štai kodėl „Ball One“ ne tik atšoka nuo „Ball Two“ - impulsas perduoda energiją per visus rutulius vakarų kryptimi.

Bet palauk. Rutulys staigiai, bet neabejotinai sustoja jo lanko viršuje; jei impulsas reikalauja judesio, kaip jis išsaugomas? Panašu, kad lopšys pažeidžia nepažeidžiamą įstatymą. Tačiau priežastis ne ta, kad apsaugos įstatymas galioja tik a uždara sistema, kuri yra laisva nuo bet kokios išorinės jėgos - ir Niutono lopšys nėra uždara sistema. Kai „Ball Five“ rutuliojasi toliau nuo kitų rutulių, jis taip pat kyla. Kai tai daro, jį veikia gravitacijos jėga, veikianti lėtai rutuliuoti.

Tikslesnė uždaros sistemos analogija yra baseino rutuliai: Smūgio metu pirmasis rutulys sustoja, o antras tęsiasi tiesia linija, kaip Niutono lopšio rutuliai darytų, jei jie nebūtų pririšti. (Praktiškai uždara sistema neįmanoma, nes gravitacija ir trintis visada bus veiksniai. Šiame pavyzdyje gravitacija neturi reikšmės, nes ji veikia statmenai rutulių judesiui, todėl neturi įtakos jų greičiui ar judesio krypčiai..)

Horizontali rutulių, esančių ramybėje, linija veikia kaip uždara sistema, be jokios jėgos įtakos, išskyrus gravitaciją. Šis momentas išsaugomas per trumpą laiką nuo pirmojo rutulio smūgio iki galinio rutulio pasisukimo.

Kai rutulys pasiekia piką, jis vėl turi tik potencialią energiją, o jo kinetinė energija ir impulsas sumažėja iki nulio. Tuomet gravitacija pradeda traukti rutulį žemyn, vėl pradėdama ciklą.

Elastiniai susidūrimai ir trintis

Čia žaidžiami du paskutiniai dalykai, pirmasis yra elastinis susidūrimas. An elastinis susidūrimas įvyksta, kai du objektai susiduria vienas į kitą, o jungtinė objektų kinetinė energija yra vienoda prieš ir po susidūrimo. Akimirką įsivaizduokite Niutono lopšį, kuriame yra tik du rutuliai. Jei „Ball One“ turėtų 10 džaulių energijos ir jis smogtų į rutulį du per elastingą susidūrimą, rutulys 2 pasislinktų 10 džaulių. Niutono lopšyje esantys rutuliai smogė vienas kitam per tam tikrus elastinius susidūrimus, perkeldami „Ball One“ energiją per liniją į „Ball Five“ ir neprarasdami energijos.

Bent jau taip, jis veiktų „idealiame“ Niutono lopšyje, tai yra aplinkoje, kurioje rutuliams veikia tik energija, pagreitis ir sunkis, visi susidūrimai yra tobulai elastingi, o lopšys yra tobulas. Esant tokiai situacijai, rutuliai ir toliau suktųsi amžinai.

Tačiau neįmanoma turėti idealaus Niutono lopšio, nes viena jėga visada stengsis lėtai sustabdyti reikalus: trintį. Trintis panaikina energijos sistemą, lėtai sustabdydama rutulius.

Nors nedidelė trintis atsiranda dėl oro pasipriešinimo, pagrindinis šaltinis yra pačių rutulių viduje. Taigi tai, ką matote Niutono lopšyje, nėra tikrai elastingi susidūrimai, o greičiau neelastingi susidūrimai, kurioje kinetinė energija po susidūrimo yra mažesnė už prieš tai buvusią kinetinę energiją. Taip atsitinka todėl, kad patys rutuliai nėra tobulai elastingi - jie negali išvengti trinties. Tačiau dėl energijos taupymo bendras energijos kiekis nesikeičia. Kai rutuliai suspaudžiami ir grįžta į savo pradinę formą, rutulyje esančių molekulių trintis paverčia kinetinę energiją šiluma. Rutuliai taip pat vibruoja, kurie išsklaido energiją į orą ir sukuria paspaudimo garsą, kuris yra Niutono lopšio parašas.

Lopšio konstrukcijos trūkumai taip pat sulėtina rutulius. Jei rutuliai nėra visiškai išlyginti arba nėra tiksliai to paties tankio, tai pakeis energijos kiekį, reikalingą tam tikram rutuliui judėti. Šie nukrypimai nuo idealaus Niutono lopšio lėtina rutulių pasisukimą abiejuose galuose ir galiausiai lemia, kad visi rutuliai pasislenka kartu.

Norėdami gauti daugiau informacijos apie Niutono lopšius, fiziką, metalus ir kitus susijusius dalykus, žiūrėkite kitame puslapyje pateiktas nuorodas.


Vaizdo Papildas: EBAY Niutono lopšys.




Tyrimas


Kodėl Šoninio Vaizdo Veidrodyje Esantys Objektai Yra Arčiau, Nei Atrodo?
Kodėl Šoninio Vaizdo Veidrodyje Esantys Objektai Yra Arčiau, Nei Atrodo?

„Hoverboard Daredevil“ Greitis Virš Atlanto Vandenyno
„Hoverboard Daredevil“ Greitis Virš Atlanto Vandenyno

Mokslas Naujienos


Kaip Rasti Skrydį 370: Adata Į Šiukšlių Dėžę?
Kaip Rasti Skrydį 370: Adata Į Šiukšlių Dėžę?

Trinkimai Mobiliuosiuose Telefonuose: Didėja Pėsčiųjų Traumos
Trinkimai Mobiliuosiuose Telefonuose: Didėja Pėsčiųjų Traumos

Gydytojas Randa Vorą Berniuko Ausyje
Gydytojas Randa Vorą Berniuko Ausyje

Genų Vagys: Salamandros Moterys Užgrobia Kelių Vyrų Dnr
Genų Vagys: Salamandros Moterys Užgrobia Kelių Vyrų Dnr

Istorinis Klimato Tyrimas Atskleidžia Žmonių Vaidmenį Dabartiniame Atšilime
Istorinis Klimato Tyrimas Atskleidžia Žmonių Vaidmenį Dabartiniame Atšilime


LT.WordsSideKick.com
Visos Teisės Saugomos!
Dauginti Jokių Medžiagų Leidžiama Tik Prostanovkoy Aktyvią Nuorodą Į Svetainę LT.WordsSideKick.com

© 2005–2020 LT.WordsSideKick.com