مهد نيوتن: انتقال الزخم والطاقة
1 · توقّع
إذا سحبت الكرة الأولى إلى الخلف حتى ارتفاع إفلات h وتركتها تتأرجح نحو الصف، فما الذي يحدد سرعة انطلاق الكرة الأخيرة؟
- تغادر الكرة الأبعد بسرعة تقارب سرعة الكرة الأولى عند الاصطدام.
- تغادر الكرة الأبعد أبطأ، لأن الكرات الوسطى تمتص بعض الحركة.
- تغادر الكرة الأبعد أسرع من سرعة اصطدام الكرة الأولى.
2 · التجهيز
- افتح تجربة مهد نيوتن في البيئة.
- اسحب الكرة الأولى إلى الخارج والأعلى لضبط ارتفاع إفلات، ثم اقرأ ارتفاعها فوق نقطة سكونها.
- أفلت الكرة ودعها تتأرجح نزولًا نحو صف الكرات المتلامسة. راقب أي كرة تغادر في الجانب البعيد وإلى أي ارتفاع تتأرجح.
3 · اجمع البيانات
| كتلة الكرة (kg) | ارتفاع الإفلات (m) | طاقة الإفلات الكامنة (J) | سرعة خروج الكرة الأبعد (m/s) |
|---|---|---|---|
| 1.00 | 0.30 | ||
| 1.00 | 0.50 | ||
| 1.00 | 0.70 |
ارسم سرعة خروج الكرة الأبعد (المحور y) مقابل ارتفاع الإفلات (المحور x) لتجاربك الثلاث. هل العلاقة خط مستقيم؟
4 · حلّل
- لكل صف احسب طاقة الإفلات الكامنة (mgh) والطاقة الحركية للاصطدام التي ينبغي أن تحملها الكرة الأولى قبيل بلوغها أسفل تأرجحها (½mv²، مستخدمًا farSpeed المقيسة قيمةً لـv). كيف تقارن الطاقتان؟
- بانحفاظ الزخم والطاقة الحركية في سلسلة كتل متساوية، اشرح لماذا تغادر الكرة الأبعد (تقريبًا) بسرعة اصطدام الكرة الأولى، بينما بالكاد تتحرك الكرات البينية.
5 · وسّع
- لماذا بالكاد تتحرك الكرات الوسطى، رغم أن دفعة التصادم تمر عبر كل واحدة منها؟
- في البيئة، هل تتأرجح الكرة الأبعد يومًا إلى ارتفاع إفلاتك بالضبط؟ بماذا تخبرك الفجوة (إن وُجدت) عن مدى مرونة التصادمات فعلًا؟
الفيزياء خلف هذه التجربة
الطاقة الكامنة الثقالية
تخزن الكرة المسحوبة طاقة تساوي وزنها في مقدار رفعك لها فوق نقطة سكونها — وهي ما يشغل تفاعل السلسلة كله بعد الإفلات.
الطاقة الحركية
أثناء هبوط الكرة المُفلتة تتحول طاقتها الكامنة المخزونة إلى حركية؛ وعند الأسفل تُسلَّم تلك الطاقة الحركية كلها تقريبًا إلى الكرة الأبعد عبر سلسلة التصادمات.