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Nanyang Technological University
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Vettori in più direzioni

Panoramica

Fonte: 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.

Principi

Nella Figura 1 mostra il vettore Equation 21 , così come gli assi x e ye l'angolo θ che Equation 21 fa con l'asse x-.

Figure 1

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:

Equation 1. (Equazione 1)

La componente yè rappresentata come:

Equation 2. (Equazione 2)

La grandezza di Equation 21 è definita come:

Equation 3. (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 Equation 4 e vettore , quindi Equation 5 l'aggiunta dei due vettori Equation 6 .

Per determinare l'angolo θ di un vettore rispetto all'asse x,utilizzare la seguente equazione:

Equation 7. (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 Equation 8 o Equation 9 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 Equation 10 Il prodotto incrociato di due vettori può essere scritto come Equation 11 Mentre simile al prodotto punto, il prodotto incrociato contiene il termine Equation 12 , che è definito come un vettore con magnitudine 1 che è perpendicolare ai due vettori Equation 21 e Equation 22 . Il risultato del prodotto incrociato è un vettore. Un esempio del prodotto incrociato in fisica è la coppia Equation 13 , che è il risultato di una forza volte un raggio Equation 14

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:

Equation 15, (Equazione 5)

dove Equation 16 è la massa dell'oggetto, mentre è Equation 17 l'accelerazione di gravità vicino alla superficie terrestre (9,8 m/s2).

Procedura

1. Bilanciere le forze.

  1. Sulla tabella di forza, impostare due pulegge con la stessa massa rivolta in direzioni opposte (differenza di angolo di 180 °).
  2. La forza di ciascuno sarà uguale a Equation 18 . Verificare se le due forze sono uguali e opposte esaminando l'anello al centro della tabella delle forze, che non dovrebbe muoversi.
  3. Si noti che se vengono aggiunti i componenti dei vettori associati a queste forze, il vettore risultante avrà magnitudine zero. Questo è il modo per determinare che tutte le forze sono in equilibrio.

2. Calcoli analitici.

  1. Questo laboratorio sarà composto da tre forze in equilibrio. Due forze saranno conosciute, mentre la terza sarà trovata- prima analiticamente, usando la teoria dei vettori, e poi sperimentalmente. Per questo laboratorio, mantenere Equation 21 a 0° per tutta la durata.
  2. Si noti che se Equation 21 e Equation 22 sono noti e , quando aggiunti al sistema, fa sì che le due forze siano in Equation 23 equilibrio, allora è di Equation 23 uguale grandezza ma nella direzione opposta alla somma ( Equation 21 + Equation 22 ).
  3. Calcola la grandezza di Equation 21 e Equation 22 . Usa il fatto che Equation 18 e che 1 Newton (N) è un'unità di forza uguale a Equation 19 .
  4. Usando la teoria dei vettori, calcola quale grandezza Equation 23 sarebbe se fosse la somma ( + Equation 21 Equation 22 ).
  5. Usando la teoria dei vettori, calcola quale angolo Equation 23 sarebbe se fosse la somma ( + Equation 21 Equation 22 ).

3. Esperimento.

  1. Seguendo i valori sulla prima riga della tabella 1 per Equation 21 e , Equation 22 impostare le due forze sulla tabella delle forze. Ricordarsi di mantenersi Equation 21 a 0°.
  2. Impostare la terza forza, Equation 23 , aggiungendo pesi e cambiando l'angolo fino al raggiungimento dell'equilibrio. Registrare questi valori nella Tabella 2.
  3. Ripetere il passaggio 3.2 per ciascuno dei quattro casi.
  4. Determinare la differenza percentuale dal risultato analitico calcolando Equation 20 . Completare la Tabella 2 con questi valori calcolati.

Risultati

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 Equation 21
(N)
Grandezza Equation 22
(N)
Angolo Equation 22
(°)
Grandezza Equation 23
(N)
Angolo Equation 23
(°)
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 Equation 23
(N)
Grandezza analitica Equation 23
(N)
Differenza
(%)
Angolo sperimentale Equation 23
(°)
Angolo analitico
Equation 23
(°)
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.

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