Saturs

• Soļi
• Kopienas jautājumi un atbildes
• Padomi
• Brīdinājumi

Citas sadaļas

Ņūtona šūpulis ir ierīce, kas vienlaikus kalpo kā galda rota un instruments fizikas pamatu izskaidrošanai. Tas ir konstruēts, uz kopēja stieņa piestiprinot virknes bumbiņu uz auklām. Parasti klāt ir 5 bumbiņas, un, kad vienai ļauj trāpīt pārējām, enerģija tiek pārnesta no viena gala uz otru. Neatkarīgi no tā, vai esat skolotājs, students vai vienkārši zinātkārs cilvēks, jūs daudz varētu uzzināt par fiziskiem jēdzieniem, vienkārši spēlējoties ar Ņūtona šūpuli.

Soļi

1. daļa no 3: Ņūtona šūpuļa izmantošana

1. 

   Sāciet, atvelkot 1 bumbu. Jo tālāk jūs atvelciet bumbu, jo vairāk potenciālās enerģijas jūs to piešķirsiet. Šī potenciālā enerģija tiek radīta tāpēc, ka esat pārvietojis bumbu uz augstāku punktu, un tagad tai ir potenciāls nokrist, kad to atbrīvojat.

2. 

   
   
   Atlaidiet bumbu. Tas ļaus bumbai nokrist, pārveidojot tās potenciālu enerģiju par kinētisko enerģiju. Otra svarīgā lieta, kas notiek, ir tā, ka bumba iegūst impulsu. Šis impulss, tāpat kā enerģija, nevar vienkārši pazust, kad bumba sasniedz dibenu. Tas ir jāsaglabā.

3. 

   
   
   Skatieties, kā enerģija un impulss pāriet no pirmās bumbas uz pēdējo bumbu. Galu galā šī ir Ņūtona šūpuļa izklaidējošā daļa. Kad pirmā bumba sasniedz dibenu un sit pa otro bumbu, tā apstājas. Impulss un kinētiskā enerģija, ko bumba ieguva kritiena laikā, tiek pārnesta caur vidējām lodēm un tiek nodota pēdējai bumbai, kas izšūpojas prom no pārējām bumbām.

4. 

   
   
   Ievērojiet izveidoto ciklu. Spēks un enerģija turpināsies no bumbas vienā šūpulīša pusē līdz bumbiņai otrā galā. Pamazām enerģija un impulss tiks izkliedēti. Tas būs redzams ar bumbiņu maksimālo augstumu, kas katru reizi ir nedaudz zemāks nekā iepriekšējais.
   • Kad pēdējā bumba šūpojas augšup un prom no pārējiem, gravitācija neļaus tai vienkārši tur palikt. Tas sasniegs maksimuma punktu, kas ir gandrīz tikpat augsts kā pirmās bumbas sākuma augstums.
   • Šajā brīdī bumba būs pārveidojusi visu savu kinētisko enerģiju potenciālā enerģijā. Kritiens atpakaļ uz leju pārveido potenciālu enerģiju atpakaļ kinētiskajā enerģijā un impulsā, pēc tam tos caur vidējām lodītēm pārnes atpakaļ pirmajā.
   • Tagad pirmā bumba atkal šūpojas un cikls turpinās ilgu laiku.

5. 

   Pielāgojiet eksperimentu, atvelkot 2 bumbiņas. Moments ir vienāds ar masu, kas pārvietojas, reizinot ar kustības ātrumu (nevis ātrumu). Tā kā šis impulss ir jāsaglabā, beigās esošās 2 bumbas tiks atgrūstas no centrālās bumbas, nevis tikai 1. Izņemot 2 bumbas, kas pārvietojas katrā galā, cikls turpināsies tāpat, it kā jūs būtu atvilcis 1 bumbu.

6. 

   Izklaidējieties eksperimentējot. Mēģiniet izdarīt 3 vai 4 bumbiņas un uzziniet, kas notiek. Jūs varat arī vairāk vai mazāk pavilkt bumbu (-as) atpakaļ, lai pielāgotu enerģijas daudzumu, ar kuru viņi sāk. Ja jūs to atļaujat, tas var jūs izklaidēt diezgan ilgu laiku.
   • Padoms: Atvilkto bumbiņu skaits būs tāds pats, kāds izšūpojas otrā galā.

2. daļa no 3: Izpratne (vai mācīšana) par to, kā darbojas Ņūtona šūpulis

1. Ievērojiet, kā atšķiras potenciālā un kinētiskā enerģija. Potenciālā enerģija tiek uzkrāta un rodas no objekta stāvokļa vai objekta daļu izvietojuma. Potenciālo enerģiju var pārveidot par kinētisko enerģiju. Kinētiskā enerģija rodas no objekta kustības.

2. 

   Parādiet, ka enerģija ir jāsaglabā, izmantojot šūpuli. Nespēja radīt vai iznīcināt enerģiju ir galvenā termodinamikas tēma. Tas nozīmē, ka jebkura enerģija, ko jūs ievadāt sistēmā (paceļot pirmo bumbu), sistēmā ir jāsaglabā. Tas nozīmē, ka enerģijai jāturpina pārvietoties pa sistēmu arī pēc tam, kad pirmā bumba sasniedz dibenu un apstājas.
   • Var redzēt, ka tas notiek, kad pēdējā bumba paceļas gandrīz tādā pašā augstumā kā pirmā.

3. 

   Ievērojiet, ka impulss ir saglabāts arī šūpulī. Tiek saglabāta ne tikai sistēmas enerģija, bet arī impulss. Tāpēc vienā un tajā pašā ātrumā abās pusēs šūpojas vienāds bumbu skaits. Moments nav nekas vairāk kā dažu masu reižu ātrums, ar kādu tas pārvietojas.
   • Šūpuļa gadījumā impulsu var atrast, reizinot ātrumu, kādā bumba nokrīt no augstākā punkta, ar bumbas masu.

4. 

   Padomājiet, kāpēc pēdējā bumba neturpina savu augšupejošo ceļu. Tā kā impulss ir saglabājies, šķiet, ka tad, kad pēdējā bumba tiek palaista prom no pārējiem, tā turpina ceļot augšup un tālāk. Teorētiski tas notiktu, ja nebūtu gravitācijas. Smagums ietekmē bumbu, kad tā pārvietojas uz augšu, palēninot to. Kad tas notiek, kinētiskā enerģija atkal tiek pārveidota par potenciālo enerģiju, un impulss tiek samazināts.
   • Kad bumba ir sasniegusi maksimālo augstumu, gravitācija pārvērš lomas un potenciālo enerģiju pārvērš kinētiskajā enerģijā un impulsā, bet virzienā uz augšu, nevis uz augšu.

5. 

   Jāapzinās, ka šūpulis apstāsies. Ideālā sistēmā enerģija un impulss tiktu virzīts turp un atpakaļ no šūpuļa vienas puses uz otru bezgalīgā tagu spēlē. Tomēr reālā pasaule nav tā, ko fizika uzskata par “ideālu” sistēmu. Berze ir spēks, kas palēnina bumbiņu kustību.
   • Šajā gadījumā kavējošais berzes spēks rodas no faktoru kombinācijas. Kamēr bumbiņas pārvietojas uz augšu un uz leju, ir neliela gaisa pretestība. Bumbas sadursmē tiks zaudēta arī enerģija, kad bumbiņas saduras viena ar otru. Pat dzirdētā skaņa ir vibrācija, kas lēnām sagrābj enerģiju no šūpuļa.

3. daļa no 3: Principu izmantošana aiz Ņūtona šūpuļa citur

1. 

   Atlēciens ar atlecošu bumbu. Atlecošās bumbas ir izgatavotas no ļoti elastīgiem materiāliem, kas nozīmē, ka, saduroties ar virsmu, tās nezaudē daudz enerģijas. Tā vietā sadursme deformē bumbu (liekot tai saspiesties un mainot kinētisko enerģiju uz potenciālo enerģiju), un pēc tam bumba atsperojas (vai atlec) atkal formā. Atgriešanās formā pārveido jauno potenciālo enerģiju atpakaļ kinētiskajā enerģijā, izņemot to, ka tagad impulss ir pretējā virzienā.
   • Tas ir līdzīgi tam, kā gravitācija pārveido šūpulī esošo bumbiņu kinētisko enerģiju par potenciālo enerģiju un kā bumbiņas iet gar kinētisko enerģiju un impulsu ļoti elastīgu sadursmju rezultātā. Kad bumba iet uz augšu, gravitācija uz to iedarbojas tieši tāpat kā bumbas Ņūtona šūpulī.

2. 

   Spēlē biljarda spēli. Baseina bumbas, tāpat kā Newton's Cradle bumbiņas, ir cietas un ļoti elastīgi saskaras. Enerģija tiek ievadīta sistēmā, sitot bižele ar bumbiņu. Šī bumba pārvietojas, līdz tā trāpa citai bumbai un apstājas. Spēks no sitiena bumbas tiek saglabāts, nododot to mērķa bumbai un savukārt pārvietojot mērķa bumbu uz leju.

3. 

   Izmantojiet pogo nūju. Tas ir ļoti interaktīvs veids, kā sajust šos principus. Pogo nūja darbojas tāpat kā atlecoša bumba vairāk vai mazāk. Lielākā atšķirība ir tā, ka jūs esat uz nūjas, tāpēc burtiski var just, ka daži no šiem spēkiem darbojas!

Kopienas jautājumi un atbildes

Kā es varu noturēt šūpuli no apstāšanās? Esmu mēģinājis vairākas reizes.

Tas ir neiespējami. Berze un smagums nenovēršami palēninās Ņūtona šūpuli līdz pilnīgai apstāšanās brīdim.

Padomi

• Pārvelkot bumbiņas, noteikti cieši turiet auklu. Ja virkne ir vaļīga, tas var ietekmēt rezultātus.
• Nelietojiet Ņūtona šūpuli pārpildītā birojā. Daži cilvēki to uzskatīs par ļoti relaksējošu; citiem tas šķitīs ļoti kairinošs.
• Ja Ņūtona šūpulī izmantojat dažādas masas bumbiņas, principi joprojām ir spēkā, taču rezultāti izskatās citādi.
• Tas ir lielisks līdzeklis dabaszinību stundai.

Brīdinājumi

• Ja izvēlaties izmantot pogo nūju, valkājiet ķiveri un ceļa un elkoņa spilventiņus.