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Physics I
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Nanyang Technological UniversityFonte: Ketron Mitchell-Wynne, PhD, Asantha Cooray, PhD, Dipartimento di Fisica e Astronomia, Scuola di Scienze Fisiche, Università della California, Irvine, CA
Questo esperimento dimostra la cinematica del movimento in 1 e 2 dimensioni. Questo laboratorio inizierà studiando il movimento in 1 dimensione, in costante accelerazione, lanciando un proiettile direttamente verso l'alto e misurando l'altezza massima raggiunta. Questo laboratorio verificherà che l'altezza massima raggiunta sia coerente con le equazioni cinematiche derivate di seguito.
Il movimento in 2 dimensioni sarà dimostrato lanciando la palla con un angolo θ. Usando le equazioni cinematiche di seguito, si può prevedere la distanza da dove atterrerà il proiettile in base alla velocità iniziale, al tempo totale e all'angolo di traiettoria. Ciò dimostrerà il movimento cinematico con e senza accelerazione nelle direzioni y e x,rispettivamente.
Qualsiasi misurazione della cinematica di un oggetto, come posizione, spostamento e velocità, deve essere effettuata rispetto a un sistema di riferimento. La direzione xdegli assi delle coordinate corrisponderà alla direzione orizzontale e y alla verticale. L'origine degli assi delle coordinate (0, 0), sarà definita come la posizione iniziale della particella (qui, una palla).
Movimento in 1 quota
Iniziamo considerando il movimento 1-dimensionale di una palla su un particolare intervallo di tempo t, corrispondente alla posizione y. Denotare il tempo iniziale come t0, che corrisponde alla posizione y0. Lo spostamento della palla, Δy, è definito come:
Δy = y - y0. (Equazione 1)
La velocità media della palla, v-, è lo spostamento diviso per il tempo trascorso:
v-= (y - y0)/(t - t0) = Δx/Δt.(Equazione 2)
La velocità istantanea, v, è la velocità su un intervallo di tempo molto piccolo, definita come:
v = limΔt→→ 0 (Δx/Δt). (Equazione 3)
L'accelerazione costante, a, è la variazione di velocità divisa per il tempo trascorso:
a = (v - v0)/(t - t0). (Equazione 4)
Impostare t0 = 0 per essere il tempo iniziale e risolvere per v nell'ultima equazione per ottenere la velocità in funzione del tempo:
v = v0 + at. (Equazione 5)
Quindi, calcola la posizione y in funzione del tempo usando l'equazione 2. y viene riemarcare come:
y = y0 + v-t. (Equazione 6)
In accelerazione costante, la velocità aumenterà a velocità uniforme, quindi la velocità media sarà a metà strada tra la velocità iniziale e quella finale:
v- = (v0 + v)/2. (Equazione 7)
Sostituendo questo nell'equazione 6 e usando la definizione di velocità istantanea si ottiene una nuova equazione per y:
y = y0 + v0t + 1/2 a2. (Equazione 8)
t si risolve sostituendo l'equazione 7 nell'equazione 6:
t = (v - v0)/a. (Equazione 9)
Sostituendo quella t nell'equazione 6 e di nuovo usando la definizione dell'equazione 7 si cambia di nuovo l'equazione per y:
y = y0 + (v + v0)/2 (v - v0)/a = y0 + (v2 - v02)/2a. (Equazione 10)
La risoluzione per v2 dà:
v2 = v02 + 2a(y - y0). (Equazione 11)
Queste sono le equazioni utili che riguardano posizione, velocità, accelerazione e tempo in cui a è costante.
Movimento in 2 dimensioni
Ora, verrà considerato il movimento in 2 dimensioni. Le equazioni 5, 7, 8e 11 costituiscono un insieme generale di equazioni cinematiche nella direzione y. Questi possono essere espansi in movimento in 2 dimensioni, x e y, semplicemente sostituendo i componenti y con componenti x. Si consideri un proiettile lanciato con una velocità iniziale v0ad un angolo θ rispetto all'asse x,,come mostrato in Figura 1. Dalla figura, si può vedere che la componente di direzione xper la velocità iniziale, vx,0, è v 0cos(θ). Allo stesso modo, nella direzione y-, vy,0 = v0sin(θ).
L'unicaaccelerazione che la particella sperimenta è la gravità nella direzione negativa y. Pertanto, la velocità nella direzione x ècostante. La velocità nella direzione yraggiunge un minimo al picco della parabola, a metà dello spostamento, a t /2, dove t è il tempo totale. Usa le equazioni sopra per descrivere questo moto bidimensionale con equazioni. In questo fotogramma di coordinate, l'origine (0,0) corrisponde a (x0, y0). A partire dalla direzione x
x = x0 + vx,0 t + 1/2 axt2 (Equazione 12)
= v0 cos( θ)t. (Equazione 13)
Nella direzione y-
y = y0 + vy,0t + 1/2 ay t2 (Equazione 14)
= v0sin(θ)t - 1/2 g t2,(Equazione 15)
Figura 1. Movimento del proiettile in 2 dimensioni. Un proiettile viene lanciato con velocità iniziale v0con un angolo θ rispetto all'asse x. Le due componenti di velocità sono vxe vy, dove V = vx +vy.
wqui g è l'accelerazione gravitazionale. Se si misura il tempo necessario al proiettile per completare il suo percorso e l'angolo θ e la velocità iniziale v0sono noti, è possibile calcolare lo spostamento nelle direzioni x e y. Prima di iniziare questo esperimento, la velocità del muso del lanciatore, 6,3 m / s, è nota. Questi calcoli di spostamento saranno confrontati con i risultati sperimentali. Una procedura simile può essere eseguita in 1 dimensione sparando il proiettile direttamente verso l'alto, con θ = 0.
1. Movimento in 1 dimensione.
2. Movimento in 2 dimensioni.
Figura 2. Configurazione sperimentale.
I risultati rappresentativi delle fasi 1 e 2 della procedura di cui sopra sono elencati di seguito nella Tabella 1. Questa tabella registra l'altezza massima raggiunta dalla palla in entrambe le dimensioni 1 e 2, con una velocità iniziale nota e un tempo di volo totale. Il valore dello spostamento verticale massimo misurato sperimentalmente viene confrontato con quello calcolato utilizzando l'equazione 15, il cui valore si trova anche di seguito. La tabella registra anche lo spostamento orizzontale massimo della palla per l'esperimento a 2 dimensioni. Questo viene confrontato con il valore calcolato dall'equazione 13 utilizzando la velocità iniziale nota e il tempo di volo misurato. Questi due risultati corrispondono molto bene, il che convalida le equazioni cinematiche.
Tempo di volo calcolato (s) | Calcolato y (m) | Tempo medio di volo misurato (s) | Media misurata y (m) |
1.28 | 2.02 | 1.22 | 2.1 |
Tabella 1. Risultati calcolati e misurati in un'unicadimensione.
Tempo di volo calcolato (s) | Calcolato y (m) | Calcolato x (m) | Tempo medio di volo misurato (s) | Media misurata y (m) | Media misurata x (m) |
0.9 | 1.01 | 4.01 | 1.02 | 1.1 | 4 |
Tabella 2. Risultati calcolati e misurati in due dimensioni.
La cinematica viene utilizzata in una vasta gamma di applicazioni. I militari usano queste equazioni cinematiche per determinare il modo migliore per lanciare la balistica. Per una migliore precisione, la resistenza della resistenza dell'aria è inclusa nelle equazioni. I produttori di automobili utilizzano la cinematica per capire le velocità massime e le distanze di arresto. Per decollare, gli aerei devono raggiungere una certa velocità prima di esaurire la pista. Con la cinematica, è possibile calcolare la velocità con cui il pilota dovrà accelerare quando decolla in un determinato aeroporto.
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