Колыбель Ньютона | это… Что такое Колыбель Ньютона?
Колыбель Ньютона
Шарики Ньютона (маятник Ньютона) — механическая система, придуманная Исааком Ньютоном для демонстрации преобразования энергии различных видов друг в друга: кинетической в потенциальную и наоборот. В отсутствие противодействующих сил (трения) система могла бы действовать вечно, но в реальности это недостижимо.
Содержание
|
История
Эту популярную игрушку-сувенир, придуманную английским актёром Саймоном Пребблом в 1967 году, а сегодня часто встречаемую на письменных столах в кабинетах и офисах, можно поместить и в музей физики. Можно бесконечно долго играть с ней, глядя на качающиеся шарики (как смотреть на текущую воду или огонь). Но знание того, что она иллюстрирует законы сохранения импульса и сохранения энергии не только не помешает, но и придаст особый смысл наблюдению.
Если отклонить первый шарик и отпустить, то его энергия и импульс передадутся без изменения через три средних шарика последнему, который приобретёт ту же скорость и поднимется на ту же высоту. Он в свою очередь передаст свой импульс и энергию по цепочке снова первому шарику. Крайние маятники будут колебаться, а средние шарики будут покоиться. Если бы не было потерь механической энергии вследствие работы сил трения и упругости, то колебания продолжались бы вечно, но они затухают, так как в реальных механических системах всегда действуют диссипативные силы.
Интересным является то, что первый шарик передаёт импульс последнему не непосредственно, а через средние шарики, которые остаются неподвижными. Картина напоминает распространение упругой волны в твёрдом теле, то есть передачу упругих возмущений и энергии упругой деформации без переноса вещества (например, звук).
Рассмотрим простой случай, когда движущийся шар сталкивается с таким же покоящимся шаром («Колыбели Ньютона» всего из двух шариков). Столкновение упругое и центральное (именно такое наблюдается в идеальной «Колыбели Ньютона»). Чтобы найти скорости шаров после упругого столкновения, надо записать уравнение закона сохранения импульса для такой системы и уравнение закона сохранения энергии и решить полученную систему уравнений. Результат известен: движущийся шар останавливается, а покоящийся приобретает скорость первого.
В колыбели Ньютона первый шарик передаёт импульс второму шарику и останавливается. Мы не видим, как второй шарик получает импульс от первого, не «видим» его скорость. Но, если присмотреться: шарик чуть заметно «вздрагивает», то есть он движется с полученной скоростью, но на маленьком пути «из-за тесноты». Но он успевает на этом коротком пути отдать импульс третьему шарику и остановиться. То же с третьим шариком и т. д. Последний шарик не имеет перед собой, кому передать свой импульс, поэтому свободно движется, поднимаясь на высоту h, затем возвращается, и всё повторяется в обратном направлении.
Изготовление
«Колыбель Ньютона» можно изготовить самостоятельно. Шарики надо подвешивать на двух под углом друг к другу нитях, чтобы плоскость колебаний шариков сохранялась постоянной, и удары были центральными.
В мире
Самая большая Колыбель Ньютона в мире находится в г. Kalamazoo (штат Мичиган, США). В ней 16 боулинг-шаров, массой 6,8 кг каждый, подвешенных на нитях длиной 6,1 м на высоте 1 м от пола.
Варианты
Квантовый
При помощи интерферирующих лазерных лучей создаются тысячи «трубок»-ловушек. В каждую трубку, созданную лазерным лучом, помещаются приблизительно 150 атомов (в трубке они могут двигаться только в одном измерении). Затем атомы лазером же охлаждаются до миллиардных долей градуса (в Кельвинах). После лазером половине атомов придаётся один импульс, а половине – противоположный. В результате получается вариант, когда даже после 10 000 столкновений каждый атом колеблется с исходной амплитудой[1]
Эволюция маятника Ньютона
http://www. diary.ru/~fizik-romantik/p158123288.htm
Примечания
- ↑ Маятник Ньютона поколебал ученых
См. также
- Маятник Фуко
- Маятник
Ссылки
- Статья, Колыбель Ньютона в школьном музее физики
Колыбель Ньютона | это… Что такое Колыбель Ньютона?
Колыбель Ньютона
Шарики Ньютона (маятник Ньютона) — механическая система, придуманная Исааком Ньютоном для демонстрации преобразования энергии различных видов друг в друга: кинетической в потенциальную и наоборот. В отсутствие противодействующих сил (трения) система могла бы действовать вечно, но в реальности это недостижимо.
Содержание
|
История
Эту популярную игрушку-сувенир, придуманную английским актёром Саймоном Пребблом в 1967 году, а сегодня часто встречаемую на письменных столах в кабинетах и офисах, можно поместить и в музей физики. Можно бесконечно долго играть с ней, глядя на качающиеся шарики (как смотреть на текущую воду или огонь). Но знание того, что она иллюстрирует законы сохранения импульса и сохранения энергии не только не помешает, но и придаст особый смысл наблюдению.
Если отклонить первый шарик и отпустить, то его энергия и импульс передадутся без изменения через три средних шарика последнему, который приобретёт ту же скорость и поднимется на ту же высоту. Он в свою очередь передаст свой импульс и энергию по цепочке снова первому шарику. Крайние маятники будут колебаться, а средние шарики будут покоиться. Если бы не было потерь механической энергии вследствие работы сил трения и упругости, то колебания продолжались бы вечно, но они затухают, так как в реальных механических системах всегда действуют диссипативные силы.
Интересным является то, что первый шарик передаёт импульс последнему не непосредственно, а через средние шарики, которые остаются неподвижными. Картина напоминает распространение упругой волны в твёрдом теле, то есть передачу упругих возмущений и энергии упругой деформации без переноса вещества (например, звук).
Рассмотрим простой случай, когда движущийся шар сталкивается с таким же покоящимся шаром («Колыбели Ньютона» всего из двух шариков). Столкновение упругое и центральное (именно такое наблюдается в идеальной «Колыбели Ньютона»). Чтобы найти скорости шаров после упругого столкновения, надо записать уравнение закона сохранения импульса для такой системы и уравнение закона сохранения энергии и решить полученную систему уравнений. Результат известен: движущийся шар останавливается, а покоящийся приобретает скорость первого.
В колыбели Ньютона первый шарик передаёт импульс второму шарику и останавливается. Мы не видим, как второй шарик получает импульс от первого, не «видим» его скорость. Но, если присмотреться: шарик чуть заметно «вздрагивает», то есть он движется с полученной скоростью, но на маленьком пути «из-за тесноты». Но он успевает на этом коротком пути отдать импульс третьему шарику и остановиться. То же с третьим шариком и т. д. Последний шарик не имеет перед собой, кому передать свой импульс, поэтому свободно движется, поднимаясь на высоту h, затем возвращается, и всё повторяется в обратном направлении.
Изготовление
«Колыбель Ньютона» можно изготовить самостоятельно. Шарики надо подвешивать на двух под углом друг к другу нитях, чтобы плоскость колебаний шариков сохранялась постоянной, и удары были центральными.
В мире
Самая большая Колыбель Ньютона в мире находится в г. Kalamazoo (штат Мичиган, США). В ней 16 боулинг-шаров, массой 6,8 кг каждый, подвешенных на нитях длиной 6,1 м на высоте 1 м от пола.
Варианты
Квантовый
При помощи интерферирующих лазерных лучей создаются тысячи «трубок»-ловушек. В каждую трубку, созданную лазерным лучом, помещаются приблизительно 150 атомов (в трубке они могут двигаться только в одном измерении). Затем атомы лазером же охлаждаются до миллиардных долей градуса (в Кельвинах). После лазером половине атомов придаётся один импульс, а половине – противоположный. В результате получается вариант, когда даже после 10 000 столкновений каждый атом колеблется с исходной амплитудой[1]
Эволюция маятника Ньютона
http://www. diary.ru/~fizik-romantik/p158123288.htm
Примечания
- ↑ Маятник Ньютона поколебал ученых
См. также
- Маятник Фуко
- Маятник
Ссылки
- Статья, Колыбель Ньютона в школьном музее физики
Колыбель Ньютона — Демонстрации физики Святой Марии
Пожалуй, лучшее настольное украшение. Вот как это работает!
Смотреть видео:
Обучаемые темы:
- Сохранение импульса
- Сохранение энергии
- Упругое столкновение
Теория:
При упругом столкновении импульс ( p ) и кинетическая энергия ( T ) сохраняются. То есть
p f = p i и T f = T i
все они касаются другой металлической сферы. Одну или несколько сфер можно оттянуть назад и отпустить. Выпущенные сферы качаются вниз и сталкиваются с оставшимися сферами.
Каждая сфера имеет массу m , и сферы сталкиваются по существу упруго. Конечно, тот факт, что сферы щелкают при соединении, означает, что некоторая кинетическая энергия преобразуется в звуковую энергию и теряется, но эти потери ничтожны при единичном столкновении.
Когда одна или несколько сфер оттянуты назад и отпущены, они имеют массу M i = m, 2m, 3m, 4m, в зависимости от того, одна, две, три или четыре сферы оттянуты назад .
В момент непосредственно перед столкновением этих сфер с другими висящими сферами их скорость (в горизонтальном направлении) равна v i . Таким образом, импульс и кинетическая энергия составляют p i = M i v i 9.
Через мгновение после столкновения сфер некоторая масса сфер ( M f ) должна продолжать двигаться со скоростью (в горизонтальном направлении) v f . Применение закона сохранения импульса к этому столкновению дает следующее уравнение:
p f = p I
M F V F = M I V I
M F = M I
(. V 7. V 7. V 7. V 7. V 7. V 7. V 7. V 7. V 7. V 7. V 87878787878787878
. )
Сохраняющая кинетическая энергия дает ….
T F = T I
(1/2) M F V 788 909090909090909090909090909090909090909090909090909090909090 2
M F = M I (V I /V F ) 2
. Красные и зеленые уравнения, приведенные выше. .
M I (V I /V F ) 2 = M I (v I /V F )
V ) 9000
637 V ) V ) V ). ф
Итак, скорость любых движущихся сфер после столкновения такая же, как и скорость движущихся сфер до столкновения. Substituting this into the red equation gives…
M f = M i (v i /v f )
M f = M i ( v i /v i )
M f = M i
Количество сфер движется то же самое число после столкновения
0008
Прибор:
- Маятник Ньютона
Процедура:
- Потяните назад одну из сфер в маятнике, затем отпустите.
- Вы можете сделать это с двумя, тремя или четырьмя сферами.
- Демонстрация работает наиболее плавно, если сфера (сферы) выпущена под небольшим углом.
Пред.
Следующий
Как сделать простую колыбель Ньютона
Колыбель Ньютона — классический научный проект, демонстрирующий импульс. Он также может использоваться как забавная научная игрушка для детей и взрослых! И пссс… это идеально подходит для научной ярмарки!
У меня особое отношение к этому проекту, потому что много лет назад я участвовал в научной ярмарке. В версии, которую я построил, использовались настоящие шарикоподшипники (благо дедушка-изобретатель имел механический цех), но вы можете узнать , как построить простую колыбель Ньютона в домашних условиях используя материалы из магазина товаров для рукоделия, прямо здесь и прямо сейчас.
Пока я разрабатывал этот проект для своей книги STEAM Play & Learn и пытался придумать самую простую версию, я экспериментировал с множеством материалов для сфер. Я попробовал деревянные бусины и ГИГАНТСКИЕ пластиковые бусины, и вот что я обнаружил, ни один из них не работал… почему? Что ж, ответ кроется в науке, стоящей за этим проектом. МАССА имеет решающее значение для импульса. Узнайте больше об этом в разделе Let’s Talk STEAM здесь.
Этот пост содержит партнерские ссылки.
Колыбель Ньютона — это проект из моей книги STEAM Play & Learn. STEAM Play & Learn ориентирован на дошкольников, но многие проекты, особенно этот и другой проект по электронике в книге, подходят для детей всех возрастов. Вы можете ознакомиться с моей книгой на Amazon здесь:
Безопасность: Мрамор опасен для удушья. Пожалуйста, контролируйте это занятие с любым ребенком, который кладет что-то в рот.
ПРИМЕЧАНИЕ. Для работы этого проекта необходимо использовать шарики. Деревянные бусины недостаточно плотны, чтобы передавать через них энергию.
Материалы
- Большие палочки для творчества
- (6) Мрамор
- Строка
- Ножницы
- Клей
- Лента
- Карандаш
- Пистолет для горячего клея/клей
Инструкции
- Шаг 1 Склейте (4) поделки по углам, чтобы получился квадрат. Повторите с (4) другими палочками для рукоделия. Дайте высохнуть. Это будут стороны рамки.
- Шаг 2 Разрезать струну на (6) равных частей длиной примерно 8 дюймов
- Шаг 3 Приклейте шарик горячим клеем к центру одного из кусков веревки. Повторите, чтобы получить (6) отдельных шариков, каждый из которых приклеен к центру нити.
- Шаг 4 Сделайте (6) меток вдоль двух палочек через каждые ½ дюйма. Убедитесь, что метки расположены по центру палочек.
- Шаг 5 Обклейте один конец нити шариками, прикрепленными к одной из палочек для рукоделия на каждой отметке. Отложите.
- Шаг 6 Используя горячий клей, соберите раму. Возьмите две стороны и приклейте горячим клеем ремесленную палочку перпендикулярно каждому углу. Завершающим кадром будет куб.
- Шаг 7 Приклейте рукодельную палочку с лентой/шариками к одной стороне рамы.
- Шаг 8 Приклейте вторую отмеченную палочку к противоположной стороне рамы.
- Шаг 9 Прикрепите клейкой лентой свободный конец каждой нити шариком, прикрепленным к отмеченной палочке для рукоделия. Аккуратно потяните за струны, чтобы убедиться, что они выровнены. Шарики должны выровняться как по горизонтали, так и при взгляде сверху.
Потяните один из крайних шариков вверх и отпустите! Смотрите, что происходит!
Let’s Talk STEAM
Наука
Колыбель Ньютона — игрушка, названная в честь очень известного ученого сэра Исаака Ньютона. Он демонстрирует научную идею, называемую импульсом. Импульс — это сила движущегося объекта. Когда вы качаете один из шариков на конце, он сталкивается с шариком рядом с ним, и сила этого столкновения распространяется на каждый из других шариков, пока не достигнет последнего, который качается вверх. Когда этот шарик откидывается обратно, сила снова проходит через шарики. Подробнее об импульсе и столкновениях читайте здесь.
Это демонстрация научного принципа, называемого сохранением импульса . Этот принцип гласит, что когда два объекта сталкиваются, их импульс до столкновения равен их импульсу после столкновения. В колыбели Ньютона сила удара распространяется на каждый из шаров, пока не достигнет последнего шара, который качается вверх.
Импульс также напрямую связан с массой объекта: Импульс = масса * скорость
При разработке этого проекта я экспериментировал с различными продуктами для сфер. Я надеялся, что пластиковые бусины сработают, так как ими будет намного проще пользоваться. Проблема в том, что у них очень маленькая масса, и поэтому их импульс был не очень сильным, когда они раскачивались. Вам нужно использовать материал для сфер, который является плотным и действительно может передавать энергию через него
Плотность — это мера количества массы на единицу объема объекта. Более плотные объекты имеют большую массу. Чем больше масса объекта, тем сильнее будет сила импульса при его раскачивании. Вы можете проверить это сами в рамках проекта научной ярмарки! См. наш раздел «Как превратить это в проект научной ярмарки » ниже.
Инженерное дело
Эта игрушка «сделай сам» поддерживается жесткой рамой. Каркас — это конструкция, которая прочно удерживает что-либо на месте. В этой игрушке шарики часто двигаются, и она не будет работать, если рамка вокруг шариков также движется.
Колыбель Ньютона также демонстрирует концепцию под названием допуски . В машиностроении продукты должны создаваться очень точно. В противном случае изделие развалится при использовании. В «Колыбели Ньютона» шарики нужно подвешивать очень аккуратно рядом и в линию, иначе игрушка не сработает.
Другие идеи
Получайте удовольствие, играя с этим! Попробуйте поднять и отпустить два шарика одновременно. Что случается?
Сначала раскрась палочки и узнай о капиллярном действии! Если вы замочите палочки для рукоделия в воде, окрашенной пищевым красителем, цвет будет распространяться по дереву по мере впитывания воды. Вы можете узнать, как это сделать здесь. Дайте высохнуть, а затем сконструируйте окрашенную в технике «колыбель Ньютона».
Как превратить Колыбель Ньютона в проект научной ярмарки
Давайте превратим эту тему в настоящий эксперимент! Вот как вы можете принести это на научную ярмарку:
- Задайте себе вопросы В этом проекте происходит много интересных вещей, которые вы можете исследовать. Несколько идей для вопросов: какие сферические материалы лучше всего демонстрируют импульс (шарики, шарикоподшипники, деревянные бусины, жевательные резинки)? Можете ли вы придать деревянным бусинам большую массу, чтобы заставить их работать в этой демонстрации? Как? Насколько жесткой должна быть рама, чтобы проект работал? Влияет ли количество сфер на то, как это работает? Что произойдет, если у вас есть больше сфер в линии? Что произойдет, если у вас будет меньше?
- Исследования Проведите поиск в Интернете и в библиотеке, чтобы попытаться предсказать ответ на свой вопрос. Например, почитайте об импульсе, массе и плотности. Попробуйте предсказать, из каких материалов можно сделать идеальную модель колыбели Ньютона.
- Выдвижение гипотезы Гипотеза – это ваш прогноз ответа на ваш вопрос на основе вашего исследования. Это может быть или не быть правдой.
- Эксперимент! Проверьте свою гипотезу, проверив переменные и задокументировав их. Обязательно записывайте каждый эксперимент и то, что происходит; это называется ваши данные.
Примеры:
Поэкспериментируйте со сферическими материалами Попробуйте использовать большие деревянные бусины и, если возможно, шарикоподшипники. Как разные материалы влияют на работу модели?
Эксперимент с массой Попробуйте использовать один материал для сфер и добавить массу, чтобы посмотреть, повлияет ли это на действие. Можете ли вы добавить что-то плотное к нижней стороне сфер и изменить импульс?
Эксперимент с номером сфер Будет ли модель работать, если 10 сфер? Как насчет 2? Какое идеальное количество сфер использовать для получения наиболее последовательной реакции?
Поэкспериментируйте с тем, насколько высоко вы поднимаете шарики Что произойдет, если вы едва поднимете шарики и бросите их? Как это меняет импульс?
- Сделай вывод На основании своих экспериментов сделай вывод.