Ensformig sirkelbevegelse og sentripetalkraft
1 · Prediker
En kule på en stang går i bane rundt et fast sentralt dreiepunkt med konstant fart. Hvis du øker kulens banehastighet mens du holder radiusen den samme, blir tiden for ett fullt omløp (perioden) lengre, kortere, eller forblir den den samme?
- Perioden blir lengre (det tar mer tid per omløp).
- Perioden forblir den samme (farten påvirker ikke perioden).
- Perioden blir kortere (det tar mindre tid per omløp).
2 · Oppsett
- Åpne Sirkelbevegelse-forhåndsinnstillingen. Noter stangens lengde (baneradiusen) og kulens masse, og bekreft at tyngdekraften er av — stangen alene leverer kraften som krummer banen.
- Bekreft at fartssonden er festet til kulen, og slipp en tidtaker på kulen slik at du kan ta tiden på ett fullt omløp.
- For hvert forsøk under, sett kulens masse, stanglengden (radius) og dens innledende tangensiale fart, trykk deretter Spill av og ta tiden på ett fullstendig omløp.
3 · Samle inn data
| Masse m (kg) | Radius r (m) | Banehastighet v (m/s) | Sentripetalkraft F = mv²/r (N) | Periode T (1 omløp) (s) |
|---|---|---|---|---|
| 1.00 | 2.00 | 3.00 | ||
| 1.00 | 3.00 | 4.00 | ||
| 2.00 | 2.50 | 5.00 |
Grafe perioden T (y-akse) mot r/v (x-akse) for dine tre forsøk. Beskriv linjens form.
4 · Analyser
- For ett forsøk, vis arbeidet ditt med å beregne perioden fra radiusen og farten du satte (T = 2πr/v), og sammenlign den med tidtakerens avlesning i simuleringen.
- På tvers av dine tre forsøk, hvordan endrer økning av farten ved fast radius perioden? Hvordan endrer økning av radiusen ved fast fart perioden? Forklar begge med T = 2πr/v.
5 · Utvid
- Denne forhåndsinnstillingen slår av tyngdekraften slik at bevegelsen er genuint ensformig. Hvis tyngdekraften ble slått på igjen, og stangen fortsatt sporet en horisontal sirkel, ville kulens fart forblitt konstant gjennom hele omløpet? Hvorfor eller hvorfor ikke?
- Et ekte gående i bane-objekt (som en kule på en snor svinget for hånd) mister litt energi til luftmotstand og til dreiepunktet for hvert omløp. Ville du forventet at den målte perioden forblir perfekt konstant over mange omløp, eller å drive — og i hvilken retning?
Fysikken bak dette eksperimentet
Sentripetalkraft
Den innoverrettede kraften stangen må levere for å holde kulen i sirkelbevegelse i stedet for en rett linje. Den avhenger av kulens masse, dens (konstante) banehastighet og sirkelens radius — dette er spenningen du ville føle i stangen ved hvert forsøks innstillinger.
Mekanikk
- Prosjektilbevegelse og kinetisk energi
- Kule på rampe: energi på et friksjonsfritt skråplan
- Blokk på friksjonsrampe: å finne terskelen for statisk friksjon
- Sluttfart: å falle gjennom luftmotstand
- Kraftlab: Newtons andre lov
- Motvirkende krefter: Newtons andre lov og bevegelsesmengde
- Sprettende ball: energitap ved treff
- Elastiske kollisjoner og bevarelse av bevegelsesmengde
- Uelastisk kollisjon og bevarelse av bevegelsesmengde
- Newtons vugge: overføring av bevegelsesmengde og energi
- Enkel pendel
- Masse på fjær: enkel harmonisk svingning