Mekaniikka

Ympyräliike

Pallo kiertää vakiosäteellä: tangon jännitys on sentripetalivoima (F = m·v²/r), joka osoittaa aina kohti keskustaa. Pudota ajastin pallon päälle lukeaksesi sen kiertoajan.

Ympyräliike – interaktiivinen Mekaniikka-simulaatio. Pallo kiertää vakiosäteellä: tangon jännitys on sentripetalivoima (F = m·v²/r), joka osoittaa aina kohti keskustaa. Pudota ajastin pallon päälle lukeaksesi sen kiertoajan. Ilmainen selaimessa toimiva virtuaalinen fysiikkalaboratorio, jossa on reaaliaikaiset SI-mittaukset ja opastettu tutoriaali.

Tasainen ympyräliike

Ympyrässä vakionopeudella liikkuva kappale kiihtyy silti kohti keskustaa, koska nopeuden suunta muuttuu jatkuvasti.

Sentripetalikiihtyvyys osoittaa sisäänpäin, vaikka nopeus olisi vakio. Tangossa olevalle pallolle tangon antama sentripetalivoima taivuttaa radan ympyräksi.

• a_c = v²/r
• F_c = mv²/r

Tutkimustiivistelmä

Suunnittele kysymys ennen laboratorion avaamista

Tiivistelmä vastaa esirendattua sivua: tutkimuskysymys, kilpailevat ennusteet, muuttujien roolit, hallitsevat lait, kokoonpano sekä analyysi- ja laajennuskysymykset pysyvät näkyvissä tässä järjestyksessä.

Tutkimuskysymys

Tangossa oleva pallo kiertää kiinteää keskustukipistettä vakionopeudella. Jos lisäät pallon kiertonopeutta pitäen säteen samana, piteneekö yhden täyden kierroksen aika (jaksonaika), lyheneekö vai pysyykö samana?

Punniteltavat ennusteet

• Jaksonaika pitenee (yksi kierros vie enemmän aikaa).
• Jaksonaika pysyy samana (nopeus ei vaikuta jaksonaikaan).
• Jaksonaika lyhenee (yksi kierros vie vähemmän aikaa).

Muuttujien roolit

Mitä asetat:

• Massa m (kg)
• Radius r (m)
• Kiertonopeus v (m/s)

Mitä mittaat:

• Sentripetalivoima F = mv²/r (N)
• Jaksonaika T (1 kierros) (s)

Miten tutkimus etenee

1. Avaa Ympyräliike-esiasetuksen. Kirjaa tangon pituus (kiertoratasäde) ja pallon massa ja varmista, että painovoima on pois päältä – pelkkä tangon antama voima kaartaa radan.
2. Varmista, että nopeusanturi on kiinnitetty palloon, ja pudota ajastin pallon päälle, jotta voit ajoittaa yhden täyden kierroksen.
3. Jokaiselle alla olevalle suoritukselle aseta pallon massa, tangon pituus (säde) ja sen alkutangentinopeus, paina sitten Toista ja ajoita yksi täysi kierros.

Hallitseva yhtälö

Sentripetalivoima — F = m·v² / r

Sisäänpäin suuntautuva voima, jonka tangon on annettava pitääkseen pallon liikkeessä ympyrässä suoran viivan sijaan. Se riippuu pallon massasta, sen (vakiona olevasta) kiertonopeudesta ja ympyrän säteestä – tämä on jännitys, jonka tuntisit tangossa kunkin suorituksen asetuksilla.

Mitä tulostettava työarkki pyytää opiskelijoita selvittämään

• Yhdelle suoritukselle näytä laskusi laskemalla jaksonaika asettamastasi säteestä ja nopeudesta (T = 2πr/v) ja vertaa sitä ajastimen lukemaan simulaatiossa.
• Kolmen suorituksesi välillä, miten nopeuden lisääminen kiinteällä säteellä muuttaa jaksonaikaa? Miten säteen lisääminen kiinteällä nopeudella muuttaa jaksonaikaa? Selitä molemmat kaavalla T = 2πr/v.

Missä tämä näkyy laboratorion ulkopuolella

• Tämä esiasetus kytkee painovoiman pois, jotta liike on aidosti tasaista. Jos painovoima kytkettäisiin takaisin päälle ja tangon piirtäisi edelleen vaakasuoraa ympyrää, pysyisikö pallon nopeus vakiona koko kierroksen ajan? Miksi tai miksi ei?
• Todellinen kiertävä kappale (kuten narussa heilautettu pallo) menettää hieman energiaa ilmanvastukseen ja tukipisteeseen joka kierroksella. Odotatko sen mitatun jaksonaajan pysyvän täydellisenä vakiona monien kierrosten yli vai ajautuvan – ja mihin suuntaan?

• AP Physics 1 — Unit 6: Energy and Momentum of Rotating Systems
• AP Physics C: Mechanics — Unit 2: Force and Translational Dynamics
• IB Physics — A.4 Rigid body mechanics
• General High School Physics — Rotation, gravitation & orbits
• NGSS High School Physics — Gravitational and electrostatic forces

1. Tervetuloa ympyräliikkeeseen
2. Valitse pallo
3. Paina Toista
4. Aina kääntymässä
5. Avaa data
6. Onnistuit!

Avaa interaktiivinen simulaatio rakentaaksesi kohtauksen, paina Toista ja tutki reaaliaikaisten mittausten ja opastetun tutoriaalin kanssa.

Avaa interaktiivinen laboratorio →

Lataa työarkki →

Sentripetalivoima