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Physics I
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Nanyang Technological UniversityFonte: Nicholas Timmons, Asantha Cooray, PhD, Dipartimento di Fisica e Astronomia, Scuola di Scienze Fisiche, Università della California, Irvine, CA
Questo esperimento dimostra come i vettori aggiungono e sottraggono in più direzioni. L'obiettivo sarà quello di calcolare analiticamente l'addizione o la sottrazione di più vettori e quindi di confermare sperimentalmente i calcoli.
Un vettore è un oggetto con magnitudine e direzione. La grandezza di un vettore è semplicemente indicata come la lunghezza, mentre la direzione è tipicamente definita dall'angolo che fa con l'asse x. Poiché le forze sono vettori, possono essere utilizzate come rappresentazione fisica dei vettori. Impostando un sistema di forze e trovando quale forza aggiuntiva creerà un equilibrio tra le forze, un sistema di vettori può essere verificato sperimentalmente.
Nella Figura 1 mostra il vettore , così come gli assi x e ye l'angolo θ che
fa con l'asse x-.
Figura 1.
Per aggiungere o sottrarre due vettori, è utile descrivere il vettore in termini delle sue componenti x e y. La componente x-è la quantità del vettore che punta nella direzione x-,che è matematicamente rappresentata come:
. (Equazione 1)
La componente yè rappresentata come:
. (Equazione 2)
La grandezza di è definita come:
. (Equazione 3)
Per aggiungere o sottrarre due vettori, è sufficiente suddividere i vettori nelle loro componenti x e ye quindi aggiungere o sottrarre, rispettivamente, i componenti corrispondenti.
Ad esempio, se vettore e vettore , quindi
l'aggiunta dei due vettori
.
Per determinare l'angolo θ di un vettore rispetto all'asse x,utilizzare la seguente equazione:
. (Equazione 4)
Poiché i vettori hanno sia magnitudine che direzione, moltiplicare due vettori non è semplice come moltiplicare due numeri. Esistono due modi per moltiplicare i vettori: il prodotto punto e il prodotto incrociato. Il prodotto punto può essere scritto come o
Qui, θ è l'angolo tra i due vettori. Il risultato ha solo una grandezza e non una direzione. Un'applicazione del prodotto punto in fisica è il lavoro (W), dove il lavoro è definito come una forza volte una distanza
Il prodotto incrociato di due vettori può essere scritto come
Mentre simile al prodotto punto, il prodotto incrociato contiene il termine
, che è definito come un vettore con magnitudine 1 che è perpendicolare ai due vettori
e
. Il risultato del prodotto incrociato è un vettore. Un esempio del prodotto incrociato in fisica è la coppia
, che è il risultato di una forza volte un raggio
I vettori sono utili in fisica perché forze come la gravità o l'attrito possono essere rappresentate come vettori. In questo laboratorio, la forza di gravità viene utilizzata per dimostrare la natura vettoriale delle forze e come tali forze si sommano in più direzioni. La forza di gravità sulla superficie terrestre è scritta come:
, (Equazione 5)
dove è la massa dell'oggetto, mentre è
l'accelerazione di gravità vicino alla superficie terrestre (9,8 m/s2).
1. Bilanciere le forze.
2. Calcoli analitici.
3. Esperimento.
I risultati del laboratorio sono mostrati nella Tabella 1 e nella Tabella 2.
Tabella 1. Apparecchio.
Apparecchio # | Un | B | ||
Un sacco | Angolo | Un sacco | Angolo | |
1 | 100 | 0 | 100 | 20 |
2 | 100 | 0 | 150 | 40 |
3 | 200 | 0 | 150 | 60 |
4 | 200 | 0 | 250 | 80 |
Tabella 2. Risultati analitici.
Apparecchio # | Grandezza ![]() (N) |
Grandezza ![]() (N) |
Angolo ![]() (°) |
Grandezza ![]() (N) |
Angolo ![]() (°) |
1 | 0.98 | 0.98 | 20 | 1.93 | 10 |
2 | 0.98 | 1.47 | 40 | 2.31 | 24 |
3 | 1.96 | 1.47 | 60 | 2.98 | 25 |
4 | 1.96 | 2.45 | 80 | 3.39 | 45 |
Tabella 3. Risultati sperimentali.
Apparecchio # | Magnitudo sperimentale ![]() (N) |
Grandezza analitica ![]() (N) |
Differenza (%) |
Angolo sperimentale ![]() (°) |
Angolo analitico![]() (°) |
Differenza (%) |
1 | 2.1 | 1.93 | 9 | 11 | 10 | 10 |
2 | 2.2 | 2.31 | 5 | 26 | 24 | 8 |
3 | 2.8 | 2.98 | 6 | 28 | 25 | 12 |
4 | 3.5 | 3.39 | 3 | 43 | 45 | 5 |
I risultati dell'esperimento sono in accordo con i calcoli analitici. La somma di due vettori e l'angolo tra loro possono essere calcolati usando le equazioni 1-5. Le equazioni sono valide per fare calcoli di vettori fisici, come la forza.
Un outfielder nel baseball deve capire i vettori per prendere una palla in movimento. Se l'esterno conoscesse solo la velocità della palla, potrebbe correre a sinistra invece che a destra e perdere la palla. Se solo conoscesse la direzione del colpo, potrebbe caricare, solo per guardare la palla navigare sopra la sua testa. Se capisce i vettori, non appena la palla viene colpita, può considerare sia la grandezza che la direzione per stimare dove sarà la palla quando fa una cattura.
Quando un aereo è nel cielo, la sua velocità e direzione possono essere scritte come un vettore. Quando c'è un vento forte, il vettore del vento si aggiunge al vettore del piano per dare il vettore del sistema risultante. Ad esempio, se un aereo sta volando nel vento, la magnitudine del vettore risultante sarà inferiore alla magnitudine iniziale. Questo corrisponde al piano che si muove più lentamente quando si dirige verso il vento, il che ha un senso intuitivo.
Quando due oggetti si scontrano e si attaccano insieme, il loro momento finale (un vettore) può essere approssimato come la somma dei due vettori di quantità di moto iniziali. Questa è una semplificazione, poiché nel mondo reale, due oggetti che si scontrano hanno fattori extra da considerare, come il calore o la deformazione dalla collisione. La quantità di moto è solo la massa di un oggetto moltiplicata per la sua velocità. Se due pattinatori sul ghiaccio che viaggiano in direzioni diverse e a velocità diverse si scontrano e si aggrappano l'uno all'altro, la loro direzione e velocità finali possono essere stimate in base alle loro componenti vettoriali iniziali.
In questo esperimento, la natura vettoriale delle forze è stata esaminata e misurata. I vettori sono stati sommati e la magnitudine e la direzione risultanti sono state determinate sia analiticamente che sperimentalmente.
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