力と加速

ソース:ニコラス ・ ティモンズ、 Asantha Cooray、PhD、物理教室 & 天文学、物理的な科学の学校、カリフォルニア大学、アーバイン、カリフォルニア州

この実験の目的は、力によって作用されるグライダーの加速度を測定することによって力とニュートンの第二法則を使って動きの関係のコンポーネントを理解することです。

日常生活の中で運動のほぼすべての側面は、アイザック ・ ニュートンの運動の 3 法則を使用して記述できます。彼らは、モーション内のオブジェクトがモーション (最初法律) に滞在する傾向がある方法を記述する純力 (第二法則) によりときにオブジェクトが加速してオブジェクトによって加えられたすべての力が等しいがあるし、反対側を強制的にオブジェクト (第三法則) に出された背中。ほぼすべての高校や大学の力学は、これらの単純な概念に基づきます。

すべての物理学の最も有名な方程式の 1 つは、ニュートンの第 2 法則です。

.(関係式 1)

それは単にオブジェクトの力は質量 × 加速度オブジェクトに等しいことを示します。

従う実験、グライダーはプーリーでの落下重量に接続されます。トラックに沿ってスライド グライダーによる摩擦すると、余分な力を測定することは困難である、ので、グライダーは摩擦を減少させる空気トラックになります。空気トラックは、グライダーとトラック、約 0 の摩擦を減らすことの間に空気のクッションを作成します。重量の力は同等化 1によるとグライダーを加速します。

重力とグライダーに落ちる重量を接続文字列の緊張のため重量に力になります。緊張は落下重量の方向に反対して式で重力の力として反対の署名をしました。したがって、式 1となる、T は張力、および(~9.8 m/s²) 重力加速度は。同じ重力加速度が残っているが、力は質量を追加することで増やすことが。

重さが下がるとグライダーに重量を接続文字列で緊張が作成されます。プーリーは垂直から水平に緊張力の方向を変更します。何も他に接続されている、文字列の緊張は力の同じ大きさのグライダーは、立ち下がりの重量の力に等しい。そのため、グライダーに力が引張力 T; に等しくなります重量とグライダーが接続されているので高速化が両方のオブジェクトで同じなります。グライダーのプルのための加速度を重量を計算するには、力と同一視されています。

、を解決できます。

.(式 2)

加速度を測定するには、フォトゲート タイマーはグライダーの初期位置から 20 cm を配置されます。加速度は、測定の最終的な速度と距離は次の式を使用して計算できます。

、 (式 3)

どこは、最終的な速度とは、距離は。グライダーの上部にフラグは、グライダーがゲートを通過するのにかかる時間の量を記録するフォトゲートを通過します。フラグは 10 センチですので、グライダーの速度は時間で割った旗の長さに等しい。

1. 初期設定。

1. 空気トラックが 1 つの端に接続されているプーリーを持っています。グライダーの一端にヒモで結ぶし、滑車を介してそれを実行、吊り重量に接続されます。
2. 空気トラックに 190 cm マークにグライダーを配置します。100 cm マークにフォトゲート タイマーを配置します。グライダー自体は 200 の質量を持つ g. しがみついてグライダーが移動し、重量の合計の質量は 10 g に等しい、ぶら下げ最後にウェイトを追加しています。
3. 重みは、残りの部分からグライダーし、グライダーの速度を記録します。5 実行を行い、平均値をとる。
4. 式 2 式 3から実験値による加速の理論値を計算します。たとえば、グライダーは、200 グラムの質量を持つし、重りを吊るす質量 10 g方程式 2から、理論的な加速度がある場合は測定の速度が 0.95 m/s なら、式 3を使用して、加速の実験値は

2. グライダーの固まりを高めます。

1. 2 倍の質量をグライダーに重みの 4 つを追加します。
2. 残りの部分からシステムをリリースし、グライダーの速度を記録します。5 実行を行い、平均値をとる。式 2から、加速のため理論値と実験値、式 3からを計算します。

3. グライダーの力を増加しています。

1. 20 g の総質量をある吊り重量により多くの固まりを追加します。
2. 残りの部分からシステムをリリースし、グライダーの速度を記録します。5 実行を行い、平均値をとる。
3. 式 2から、加速のため理論値と実験値、式 3からを計算します。
4. 50 g の総質量をある吊り重量により多くの固まりを追加します。
5. 残りの部分からシステムをリリースし、グライダーの速度を記録します。5 実行を行い、平均値をとる。
6. 式 2から、加速のため理論値と実験値、式 3からを計算します。

					% の違い
200	10	0.93	0.47	0.43	9
400	10	0.66	0.24	0.22	9
200	20	1.28	0.89	0.82	9
200	50	1.96	1.69	1.92	145

この実験の結果は、方程式 2と3によってなされる予言を確認します。手順 2 でグライダーの増加質量、加速度は小さいグライダー ・ トゥ ・ ステップ 1 のように同じ速度に大きな力が必要になりますので。ステップ 3 で、吊り重量の高められた固まりは実際にグライダー、その加速力を増加しました。予想通りの高められた固まりを加速しました。

摩擦は、グライダーとトラックのエアー クッションのおかげでほぼゼロだった。空気のポケットはただし、完璧ではないし、トラックからの空気は、特定の方向にグライダーをプッシュ可能性があります。これは、それに適用される力で空気のトラックの上に座るにグライダーを許可することでテストできます。グライダーをどちらの方向に移動する場合は、トラックからグライダーのいくつかの力があります。

ニュートンの第 2 法則は運動の人々 の経験、毎日に根本的にリンクされます。任意の力なしオブジェクトは加速しないと残りに残るまたは一定の速度で移動していきます。したがって、十分な力を適用する必要があります野球一定の距離を打つときなど、誰か何かに移動するかどうか。力はような単純な式で計算できます。

同様に、オブジェクトを加速するある特定の力がかかる力をゼロにオブジェクトの速度を持ったのと同じ量がかかります。見て、惨めな質量の多くはより質量の小さいオブジェクトを停止する多くの困難であることは明らかです。それは簡単に電車より自転車を停止する!早く何かが起こってより多くの加速はバスケット ボールよりも弾丸を停止する強制的にはるかにかかるのでそれを停止させるのに必要です。

力の成分は時間とともに変化するとき、ニュートンの第二法則はもう少し複雑になります。いくつか発生しているオブジェクトの種類の抵抗力、空気抵抗など、その加速度は時間とともに変化することができます。ロケットは、時間とともに変化する質量を持つオブジェクトの例です。ロケットは、燃料を燃やす、その質量が小さくなる、それは実際に時間が経つにつれて加速するより少ない力を必要とします。

この実験では、力の成分を調べた。ニュートンの第 2 法則の力は加速度を乗じたオブジェクトの質量に等しい状態します。グライダーの質量を調整してグライダーの加速度が減少しました。グライダーに高められた力とニュートンの第 2 法則を確認する加速度は増加しました。この実験の結果は、グライダーに作用する他の力がない限り、正確なする必要があります。この実験では空気トラックを使用して摩擦が減った理由です。