Kuidas Newtoni Hällid Töötavad?

{h1}

Newtoni hällide sfäärid näitavad, kuidas hoog ja energia on konserveerunud, kuna need ületavad jõudu üksteisele. Loe rohkem WordsSideKick.comist.

Olete ilmselt näinud seda varjukülge varem: Viis väikest hõbedat palli ripub täiesti sirgjoonel õhuke niit, mis ühendab need kahte paralleelset horisontaalset ribat, mis omakorda on kinnitatud alusele. Nad istuvad kogu maailma kontorisalongides.

Kui tõmbate palli üles ja välja ning seejärel vabastate, siis langeb ta tagasi ja põrkab teiste vastu valju klikkimisega. Seejärel hüppab kõik ülejäänud neli ülejäänud pallid välja, vaid teisest otsast pall liigub edasi, jättes oma seltsimehe taga, ripub endiselt. See pall aeglustub peatuseni ja langeb tagasi, ja kõik viis on lühidalt ühendatud enne, kui esimene pall on jälle grupist eemal.

See on Newtoni häll, mida nimetatakse ka Newtoni tõukuriks või palli klikkijaks. See oli nime saanud 1967. aastal inglise keele näitleja Simon Prebble poolt oma maaomaniku ja revolutsioonilise füüsiku Isaac Newtoni auks.

Hoolimata oma näiliselt lihtsast disainist, pole Newtoni häll ja selle kiik, pallid lihtsalt tavaline lauamänguasja. Tegelikult on tegemist elegantse füüsilise ja mehaanika kõige põhilisemate seaduste demonstreerimisega.

Mänguasja illustreerib töö peamist füüsika põhimõtet: energiakontroll, impulsi ja hõõrdumise säilitamine. Selles artiklis uurime neid põhimõtteid, elastsete ja ebamugavate kokkupõrgete ning kineetilise ja potentsiaalse energiaga. Samuti uurime selliste suurepäraste mõtlejate tööd nagu Rene Descartes, Christiaan Huygens ja Isaac Newton ise.

Newtoni hälli ajalugu

Sir Isaac Newton

Sir Isaac Newton

Arvestades, et Isaac Newton oli üks kaasaegse füüsika ja mehaanika varajasi asutajatest, on täiesti mõistlik, et ta leiaks midagi sellist hällist, mis nii lihtsalt ja elegantselt näitab mõnda peamisi liikumissätteid, mida ta aitas kirjeldada.

Kuid ta ei teinud seda.

Vaatamata oma nimele ei ole Newtoni häll leiutise Isaac Newtoni ja tegelikult on teaduse taga olev loodus enne Newtoni karjääri füüsikast. John Wallis, Christopher Wren ja Christiaan Huygens esitasid 1662. aastal Royal Society'ile dokumendid, milles kirjeldati Newtoni hällis töötavaid teoreetilisi põhimõtteid. Eelkõige Huygens märkis, et hinge ja kineetilise energia säilitamine [allikas: Hutzler, etal]. Huygens ei kasutanud terminit "kineetiline energia" siiski, kuna seda fraasi ei kasutata peaaegu üheks sajandiks; selle asemel viitas ta "kogusele, mis on proportsionaalne massi ja kiiruse ruuduga" [allikas: Hutzler, et al.].

Prantsuse filosoof Rene Descartes (1596 - 1650) oli kõigepealt soovinud säilitada hoogu, kuid ta ei suutnud probleemi täielikult lahendada - tema kujundamine oli hoog võrdselt massi kiirusega (p = mv). Kuigi see töötas mõnes olukorras, ei toiminud see objektide kokkupõrke korral [allikas: Fowler].

See oli Huygens, kes soovitas valemiga "kiirus" muuta kiiruse, mis lahendas probleemi. Erinevalt kiirusest kujutab kiirus liikumissuunda, nii et sama suurusega kahe sama suurusega objekti kiirus, mis liigub sama kiirusega vastassuundades, oleks võrdne nulliga.

Kuigi ta ei arendanud teaduse taga olevat teadust, sai Newton nimekaardi kahel põhjusel. Esiteks saab hoogu säilitamise seadust tuletada tema teisest algatusõigus (jõud võrdub massi kiirendusega või F = ma). Irooniline, Newtoni liikumisseadused avaldati 1687. aastal, 25 aastat pärast Huygensi käivitamist. Teiseks, Newtonil oli üldine mõju kogu füüsika maailmale ja seega rohkem kuulsus kui Huygens.

Newtoni hälli disain ja ehitus

Kuigi võib esineda palju esteetilist modifikatsioone, on tavalisel Newtoni hällil väga lihtne seadistamine: mitu palli ripub reast kahe ristumisbaasi külge, mis on pallide joontega paralleelsed. Need ristkübarad on paigaldatud stabiilsusele tugeva alusena.

Väikestes hällides on pallid risttaladel riputatud kerge traadi abil, kusjuures pallid asetsevad ümberpööratud kolmnurgas. See tagab, et pallid saavad ainult ühes platvorvis pöörda paralleelselt ristkülikutega. Kui pall võiks liikuda mõnel muul tasapinnal, annab see teiste impulsside pallidele vähem energiat või jätab need üldse puudu ning seade ei tööta ka üldse.

Ideaaljuhul on kõik pallid täpselt samas suurusmass, kaal, mass ja tihedus. Erineva suurusega pallid töötaksid endiselt, kuid muudaksid füüsiliste põhimõtete tutvustamise tunduvalt vähem selgeks. Häll on mõeldud energia ja hoogu säilimiseks, millest mõlemad hõlmavad massi. Ühe palli mõju muudab teise massi sama massi sama kaugusega samal kiirusel. Teisisõnu teeb ta teise palli sama palju tööd, kui esimesel mängul oli gravitatsioon. Suurem pall nõuab sama kauguse liikumiseks rohkem energiat, nii et kui häll ikkagi töötab, muudab see samaväärsuse nägemise raskemaks.

Niikaua kui pallid on kõik ühesuguse suurusega ja tihedusega, võivad need olla nii suured või nii väikesed kui soovid. Pallid peavad olema keskel täiesti joondatud, et häll töötada kõige paremini. Kui pallid tabasid üksteist mõnes teises punktis, siis energia ja hoog on kadunud, kui saadetakse erinevas suunas. Tavaliselt on paaritu arv palli, viis ja seitse on kõige levinumad, kuigi ükski number töötab.

Nüüd, kui oleme kajastanud, kuidas pallid on loodud, vaatame, mis neist on tehtud ja miks.

Balloonide koosseis Newtoni hällis

Newtoni hällis on ideaalsed pallid valmistatud materjalist, mis on väga elastne ja ühtlane tihedus. Elastsus on materjali võime deformeeruda ja seejärel tagasi oma esialgse kuju kaotamata energiat; väga elastsed materjalid kaotavad vähe energiat, mitteelastsed materjalid kaotavad rohkem energiat. Newtoni hoidik liigub kauem, kasutades enam elastset materjali. Hea rusikareegel on see, et mida parem on põrk, seda kõrgem on selle elastsus.

Roostevaba teras on Newtoni hällipallide jaoks tavaline materjal, sest see on nii väga elastne ja suhteliselt odav. Teised elastsed metallid nagu titaan töötaksid ka hästi, kuid on üsna kallid.

See ei pruugi välja nägema, kui pillid hällis deformeeruvad väga palju löögi all. See on tõsi - nad seda ei tee. Roostevabast terasest pall võib kokku suruda vaid mõne mikroni võrra, kui see on teise palli poolt löönud, kuid häll ikkagi töötab, kuna terasest tagasilöök, ilma et kaotataks palju energiat.

Pallide tihedus peaks olema sama, et tagada energia ülekandmine läbi nende võimalikult vähe häireid. Materjali tiheduse muutmine muudab selle kaudu energia ülekandmist. Kaaluge vibratsiooni edastamist õhu ja terase kaudu; kuna teras on palju õhust tihedam, läbib teras läbi vibratsiooni läbi õhu, kuna alguses rakendatakse sama kogust energiat. Niisiis, kui Newtoni hällipall on näiteks ühel küljel tihedam kui teine, siis energia, mida see vähemtähtsa küljelt üle annab, võib erineda energiast, mida see on saanud rohkem-tihedale küljele, kus vahe on kadunud hõõrdumisele.

Newtoni hällides tavaliselt kasutatavad muud tüüpi pallid, eriti need, mida näidatakse rohkem kui näidet, on piljardilauad ja keeglikompallid, millest mõlemad on valmistatud mitmesugustest väga kõvade vaigudest.

Seal on sulam!

Amorfsed metallid on uued väga elastsed sulamid. Tootmise ajal sulatatud metall jahutatakse väga kiiresti, nii et ta tahkestub koos oma molekulidega juhuslikus joondamises, mitte tavaliste metallide kristallidena. See muudab need tugevamaks kui kristallilised metallid, sest seal pole valmis lõikepunkte. Amorfsed metallid töötavad Newtoni hällides väga hästi, kuid praegu on need väga kulukad.

Energiasääst

The energiasäästu seadus märgib, et energiat - töövõimalusi - ei saa luua ega hävitada. Kuid energia võib muuta vorme, mida Newtoni väikelu kasutab - eriti potentsiaalse energia muundamist kineetiliseks energiaks ja vastupidi. Potentsiaalne energia kas energiaobjektid on salvestatud kas gravitatsiooni või elastsuse tõttu. Kineetiline energia on energiaobjektide liikumine.

Andke pallid üks kuni viis korda. Kui kõik viis on puhkusel, on neil igal juhul null potentsiaalset energiat, sest nad ei saa liikuda edasi edasise ja nullkünteetilise energiaga, sest nad ei liiguta. Kui esimene pall tõstetakse üles ja välja, muutub selle kineetiline energia nulliks, kuid selle potentsiaalne energia on suurem, sest gravitatsioon võib seda langeda. Pärast palli vabastamist konverteeritakse selle potentsiaalne energia oma kukkumise ajal kineetiliseks energiaks, kuna töö gravitatsioon mõjutab seda.

Kui pall on jõudnud madalaimale punktile, on selle potentsiaalne energia null ja selle kineetiline energia on suurem. Kuna energiat ei saa hävitada, on palli suurim potentsiaalne energia võrdne selle suurima kineetilise energiaga. Kui Ball One tabab Ball Two, peatub see kohe, selle kineetiline ja potentsiaalne energia taas nullini. Kuid energia peab minema kuhugi - kahele palli.

Ball One'i energia suunatakse Ball-kaksesse kui potentsiaalset energiat, kuna see surub survet jõu all. Kuna Ball Two naaseb oma esialgse kuju, konverteerib ta oma potentsiaalse energia uuesti kineetiliseks energiaks, teisaldades selle energia kolmeks palliks, pakkides seda kokku. Pall toimib sisuliselt vedrutena.

See energia ülekanne jätkub joonelt allapoole, kuni see jõuab viiendikuni, viimane reas. Kui see pöördub tagasi oma esialgse kuju, ei ole tal veel ühtegi palli, mis oleks kokku surutud. Selle asemel kineetiline energia surub neli palli ja nii palli viis välja. Energia säästmise tõttu on Ball Five-l sama palli kineetilise energia hulk, nii et see pääseb sama kiirusega, mis Ball Onel oli, kui see tabas.

Üks langev pall annab piisavalt energiat teise ühe palli liikumiseks sama kaugel, mis langes sellel kiirusel, mis see langes. Ka kaks palli annavad piisavalt palju energiat kahe palli liigutamiseks ja nii edasi.

Aga miks ei palli lihtsalt põrgatama, kuidas see tuli? Miks jätkub liikumine ainult ühes suunas? See on hetk, mil mängib hoogu.

Momentumi säilitamine

Momentum on liikuvate esemete jõud; kõik, mis liigub, omab hoogu, mis vastab selle massile, mida korrutab selle kiirus. Nagu energia, on hoog säilitatud. On oluline märkida, et hoog on a vektorikogus, mis tähendab, et jõu suund on selle määratluse osa; ei ole piisav, kui ütleksime, et objektil on hoog, peate ütlema, millises suunas see hoog toimib.

Kui Ball One tabab Ball Two, liigub see kindlas suunas - räägime ida pool läände. See tähendab, et selle hoog liigub ka läände. Iga liikumise suuna muutmine oleks muutuse hoog, mis ei saa juhtuda ilma välise jõu mõjutamiseta. Sellepärast ei palli ükski lihtsalt Palli kaks põrgatamist - see jõuab energia läbi kõigi pallide lääne suunas.

Aga oota.Pall jõuab lühikese, kuid kindlalt lõpuni selle kaare ülaosas; kui hoog nõuab liikumist, kuidas see säilib? Tundub, et häll rikub rikutud seadust. Põhjuseks ei ole see, et kaitseõigus toimib ainult a suletud süsteem, mis on ükskõik milline väline jõud - ja Newtoni häll ei ole suletud süsteem. Nagu Ball Five muudab ülejäänud pallidest eemale, liigub see ka üles. Nagu see nii teeb, mõjutab see raskusjõudu, mis aeglustab palli.

Suletud süsteemi täpsem analoogia on basseinipallid: kokkupõrkel esimene pall peatub ja teine ​​jätkub sirgjoonel, kui Newtoni hällipallid oleksid, kui neid ei kinnitata. (Praktikas on suletud süsteem võimatu, sest gravitatsioon ja hõõrdumine on alati tegurid. Selles näites ei ole gravitatsioon asjakohatu, sest see toimib pallide liikumisel risti ja seega ei mõjuta nende kiirust ega liikumissuunda.)

Puhkepallide horisontaalne rida toimib suletud süsteemina, mis ei sõltu raskusjõu mõjust. See on siin, väikese aja jooksul esimese palli löögi ja lõpp-palli vahelejätmise vahel, see hoog on säilinud.

Kui pall jõuab oma tipuni, on see taas ainus potentsiaalne energia ja selle kineetiline energia ja impulss on vähendatud nullini. Siis hakkab raskus tõmbama palli allapoole, käivitades uuesti tsükli.

Elastsed kokkupõrked ja hõõrdumine

Siin on kaks lõplikku asja ja esimene on elastsed kokkupõrked. An elastsed kokkupõrked tekib siis, kui kaks objekti satuvad üksteisele ja objektide kombineeritud kineetiline energia on enne ja pärast kokkupõrget sama. Kujutle hetkeks Newtoni hälli, millel on ainult kaks palli. Kui Ball One-l oli 10 džaulist energiat ja see lööb palli kaks elastses kokkupõrkes, siis palli kaks 10 džauli. Newtoni hällis olevad pallid tabasid üksteist elastsete kokkupõrgete seerias, kandes Ball One energiat läbi jooneni Ball Five, kaotamata energiat mööda teed.

Vähemalt on see nii, kuidas see töötab "ideaalse" Newtoni hällis, st ühes keskkonnas, kus pallid toimivad ainult energia, hoogu ja raskusjõu korral, kõik kokkupõrked on täiesti elastsed ja häll on ideaalne. Sellises olukorras jätkavad pallid igavesti kiikumist.

Kuid on võimatu saada ideaalse Newtoni hälli, sest üks jõud sunnib alati aeglustama asju peatumiseks: hõõrdumist. Hõõrdumine röövib energia süsteemi, aeglaselt tõmbates pallid seisma.

Kuigi väike hõõrdumine tuleneb õhukindlast, on peamine allikas pallide endi sees. Niisiis, mida näete Newtoni hällis, ei ole tegelikult elastsed kokkupõrked, vaid pigem ebamugavad kokkupõrked, kus kineetilise energia pärast kokkupõrget on eelnevalt väiksem kineetiline energia. See juhtub, sest pallid ise ei ole täiesti elastsed - nad ei suuda hõõrdumist mõjutada. Kuid energia säästmise tõttu jääb energia kogus samaks. Kuna pallid on kokku surutud ja lähevad tagasi oma esialgse kuju, siis hõõrdumine palli sees asuvate molekulide vahel muudab kineetilise energia soojuseks. Pallid vibreerivad ka, mis hajub energia õhku ja loob klõpsamisheli, mis on Newtoni hälli allkiri.

Häirete ehitamine takistab ka pallide aeglustumist. Kui pallid ei ole täpselt joondatud või pole täpselt sama tihedusega, muudab see palli liigutamiseks vajalikku energiahulka. Need kõrvalekalded ideaalse Newtoni hällist aeglustavad pallide pöörlemist mõlemas otsas ja lõpuks põhjustavad kõik pallid omavahel kõik koos.

Lisateavet Newtoni hällide, füüsika, metallide ja muude seotud teemade kohta vaadake linke järgmisel lehel.


Video Täiendada: The Great Gildersleeve: A Motor for Leroy's Bike / Katie Lee Visits / Bronco Wants to Build a Wall.




ET.WordsSideKick.com
Kõik Õigused Reserveeritud!
Mistahes Materjalide Reprodutseerimine Lubatud Ainult Prostanovkoy Aktiivne Link Saidile ET.WordsSideKick.com

© 2005–2019 ET.WordsSideKick.com