Ako používať Newtonovu kolísku: 14 krokov (s obrázkami)

Newtonova kolíska je zariadenie, ktoré slúži ako ozdoba písacieho stola a zároveň ako pomôcka na vysvetlenie základných základov fyziky. Je skonštruovaný tak, že na spoločnú tyč sa upevní rad guľôčok na šnúrkach. Zvyčajne je prítomných 5 loptičiek, a keď sa jedna z nich nechá zasiahnuť ostatnými, energia sa prenáša z jedného konca na druhý. Či už ste učiteľ, študent alebo len zvedavec, môžete sa naučiť veľa o fyzikálnych pojmoch len tým, že sa budete hrať s Newtonovou kolískou.

Časť 1 z 3:Používanie Newtonovej kolísky


Začnite tým, že stiahnete 1 loptičku. Čím ďalej loptičku stiahnete, tým viac potenciálnej energie jej dodáte. Táto potenciálna energia vzniká preto, lebo ste loptičku presunuli do vyššieho bodu a teraz má potenciál padnúť, keď sa uvoľní.[1]


Uvoľnite loptu. To umožní, aby guľôčka padala, čím sa jej potenciálna energia premení na kinetickú energiu. Ďalšia dôležitá vec, ktorá sa stane, je, že lopta získava dynamiku. Táto hybnosť, ako aj energia, nemôže jednoducho zmiznúť, keď loptička dosiahne dno. Je potrebné ju zachovať.[2]


Sledujte, ako sa energia a hybnosť prenáša z prvej guľôčky na poslednú. V konečnom dôsledku ide o zábavnú časť Newtonovej kolísky. Keď prvá guľôčka dosiahne dno a narazí na druhú guľôčku, zastaví sa. Hybnosť a kinetická energia, ktorú guľôčka získala počas pádu, sa prenáša cez stredné guľôčky a odovzdáva sa poslednej guľôčke, ktorá sa od ostatných guľôčok odkloní.[3]


Pozorujte cyklus, ktorý ste vytvorili. Hybnosť a energia sa budú naďalej odovzdávať z loptičky na jednej strane kolísky na loptičku na druhom konci. Energia a hybnosť sa postupne rozptýlia. To sa prejaví tým, že maximálna výška guľôčok je zakaždým o niečo nižšia ako predtým.[4]

  • Keď sa posledná guľôčka vyhupne nahor a vzdiali sa od ostatných, gravitácia jej nedovolí jednoducho tam zostať. Dosiahne vrchol, ktorý je takmer rovnako vysoký ako počiatočná výška prvej guľôčky.
  • V tomto okamihu guľôčka premení všetku svoju kinetickú energiu na potenciálnu energiu. Pri páde späť nadol sa potenciálna energia premení späť na kinetickú energiu a hybnosť a potom sa tieto energie prenesú späť cez stredné guľôčky do prvej.
  • Teraz sa prvá guľôčka opäť vyhupne nahor a cyklus pokračuje dlhý čas.


Vylepšite experiment tým, že stiahnete 2 guľôčky. Hybnosť sa rovná hmotnosti, ktorá sa pohybuje, krát rýchlosť (nie rýchlosť), ktorou sa pohybuje. Keďže táto hybnosť sa musí zachovávať, dve guľôčky na konci budú vytlačené od stredovej guľôčky namiesto jednej. Okrem toho, že sa pohybujú 2 guľôčky na každom konci, cyklus bude pokračovať rovnako, ako keby ste stiahli 1 guľôčku.[5]


Bavte sa pri experimentovaní. Skúste urobiť 3 alebo 4 loptičky a uvidíte, čo sa stane. Guľôčku (guľôčky) môžete tiež viac alebo menej ťahať späť, aby ste zmenili množstvo energie, s ktorou začínajú. Ak sa necháte, môže vás to zabaviť na dosť dlhú dobu.

  • Tip: Počet guľôčok, ktoré stiahnete späť, bude rovnaký ako počet guľôčok, ktoré sa vyklopia na druhom konci.[6]

Druhá časť z 3:Pochopenie (alebo výučba) fungovania Newtonovej kolísky

Všimnite si, ako sa líši potenciálna a kinetická energia. Potenciálna energia je uložená a vyplýva z polohy objektu alebo z usporiadania častí objektu. Potenciálna energia sa môže premeniť na kinetickú energiu. Kinetická energia pochádza z pohybu objektu.[7]


Ukážte, že energia sa musí zachovávať pomocou kolísky. Neschopnosť vytvoriť alebo zničiť energiu je ústrednou témou termodynamiky. To znamená, že akákoľvek energia, ktorú do systému vnesiete (zdvihnutím prvej loptičky), sa musí v systéme zachovať. To znamená, že energia musí pokračovať v pohybe sústavou aj po tom, ako prvá guľôčka dosiahne dno a zastaví sa.

  • Vidíte to, keď posledná guľôčka vystúpi do takmer rovnakej výšky ako prvá.


Pozorujte, že hybnosť sa zachováva aj v kolíske. Zachováva sa nielen energia systému, ale aj hybnosť. Preto sa rovnaký počet guľôčok vyklopí na každej strane rovnakou rýchlosťou. Hybnosť nie je nič iné ako súčin hmotnosti a rýchlosti, ktorou sa pohybuje.[8]

  • V prípade kolísky možno hybnosť zistiť vynásobením rýchlosti, ktorou loptička padá z najvyššieho bodu, hmotnosťou loptičky.


Premýšľajte o tom, prečo posledná guľôčka nepokračuje vo svojej ceste nahor. Keďže hybnosť sa zachováva, zdalo by sa, že keď sa posledná guľôčka odpáli od ostatných, bude pokračovať v ceste nahor a preč. Teoreticky by sa to stalo, keby neexistovala gravitácia. Gravitácia pôsobí na guľôčku, keď sa pohybuje smerom nahor, a spomaľuje ju. Keď sa tak stane, kinetická energia sa premení späť na potenciálnu energiu a hybnosť sa zníži.[9]

  • Keď loptička dosiahne svoju maximálnu výšku, gravitácia prevráti úlohy a premení potenciálnu energiu na kinetickú energiu a hybnosť, ale smerom nadol namiesto smerom nahor.


Uvedomte si, že kolíska sa zastaví. V ideálnom systéme by sa energia a hybnosť prenášali z jednej strany kolísky na druhú v nekonečnej hre na tagy. Reálny svet však nie je tým, čo fyzika považuje za „ideálny“ systém. Trenie je sila, ktorá spomaľuje pohyb guľôčok.[10]

  • V tomto prípade brzdiaca sila trenia pochádza z kombinácie viacerých faktorov. Pri pohybe guľôčok hore a dole vzniká malý odpor vzduchu. Pri vzájomnej zrážke guľôčok sa tiež stratí určitá energia na teplo. Aj zvuk, ktorý počujete, je vibrácia, ktorá pomaly odčerpáva energiu z kolísky.[11]

Časť 3 z 3:Využitie princípov Newtonovej kolísky na iných miestach


Odrážajte skákaciu loptu. Skákacie loptičky sú vyrobené z veľmi pružných materiálov, čo znamená, že pri náraze na povrch nestrácajú veľa energie. Namiesto toho náraz loptičku zdeformuje (tým, že ju stlačí a zmení kinetickú energiu na potenciálnu energiu) a potom loptička pruží (alebo sa odrazí) späť do tvaru. Akt odrazu späť do tvaru premieňa novonadobudnutú potenciálnu energiu späť na kinetickú energiu, lenže teraz je hybnosť v opačnom smere.

  • Je to veľmi podobné tomu, ako gravitácia premieňa kinetickú energiu loptičiek v kolíske na potenciálnu energiu a ako si loptičky odovzdávajú kinetickú energiu a hybnosť prostredníctvom veľmi pružných zrážok. Keď guľa stúpa hore, gravitácia na ňu pôsobí presne tak isto ako na gule v Newtonovej kolíske.


Hrať biliard. Biliardové gule, podobne ako gule na Newtonovej kolíske, sú tvrdé a vzájomne sa dotýkajú veľmi pružne. Energia sa do systému vkladá úderom tága do biliardovej gule. Táto loptička cestuje, kým nenarazí na inú loptičku a nezastaví sa. Moment hybnosti z biliardovej gule sa zachováva tým, že sa odovzdáva cieľovej guli a tá sa následne posúva po stole.


  • Použite pogo tyč. Toto je veľmi interaktívny spôsob, ako si tieto zásady osvojiť. Pogo tyč funguje viac-menej rovnako ako skákacia lopta. Najväčší rozdiel je v tom, že ste na tyči, takže niektoré z týchto síl môžete doslova cítiť pri práci!
  • Odkazy