Kraft und Beschleunigung

Newtons Zweites Gesetz beschreibt die Beziehung zwischen Kraft und Beschleunigung und diese Beziehung ist eines der grundlegendsten Konzepte, die für viele Bereiche der Physik und Technik gelten.

F = ma ist der mathematische Ausdruck des zweiten Newtonschen Gesetzes. Dies zeigt, dass eine größere Kraft benötigt wird, um ein Objekt mit einer größeren Masse zu bewegen. Es wird auch gezeigt, dass für eine gegebene Kraft die Beschleunigung umgekehrt proportional zur Masse ist. Das heißt, mit der gleichen aufgebrachten Kraft beschleunigen kleinere Massen mehr als größere Massen

Hier zeigen wir Ihnen ein Experiment, das Newtons zweites Gesetz validiert und Kräfte unterschiedlicher Größe auf ein Segelflugzeug auf einer fast reibungslosen Luftspur anwendet

Bevor wir auf die Einzelheiten der Durchführung des Experiments eingehen, werden wir die Konzepte und Gesetze untersuchen, die zur Datenanalyse und -interpretation beitragen.

Die Anlage besteht aus einer Luftspur, einem Segelflugzeug, einer Fototüruhr in einem bekannten Abstand d vom Startpunkt, einer Riemenscheibe und einer Segelbetätigungskette an der Riemenscheibe.

Wenn man am anderen Ende des Seils ein Gewicht anlegt und es wirft, übt das Gewicht eine Kraft auf das Segel aus, die es beschleunigt. Diese Kraft ist durch Newtons zweites Gesetz gegeben. Gleichzeitig wird es die Kraft des Gewichts aufgrund der Erdbeschleunigung minus der Zugkraft in der Verbindungskette sein, die das Gewicht auf das Segel fällt. Diese Zugkraft ist die Masse des Gewichts mal der Beschleunigung des Segels.

Indem man die Kraft auf das Segel mit der Kraft des Gewichts gleichsetzt, kann man die Formel ableiten, um theoretisch die Beschleunigung des Segels zu berechnen.

Der experimentelle Weg, die Beschleunigung der Kerze zu berechnen, ist mit Hilfe des Photoporte-Timers. Dies gibt uns die Zeit, die der Schirm benötigt, um die Entfernung d vom Startpunkt zurückzulegen. Mit diesen Informationen können Sie die Geschwindigkeit des Segels berechnen und dann mit Hilfe dieser kinematischen Formel die Größe der experimentellen Beschleunigung berechnen.

Nachdem wir nun die Prinzipien verstanden haben, wollen wir sehen, wie man dieses Experiment tatsächlich in einem Physiklabor durchführt

Wie bereits erwähnt, verwendet dieses Experiment ein Segelflugzeug, das durch eine Linie verbunden ist, die über eine Riemenscheibe mit einem Gewicht verläuft. Verfolgen Sie die Segelschieber entlang einer Luft, wodurch ein Luftkissen entsteht, um die Reibung auf ein vernachlässigbares Maß zu reduzieren.

Wenn das Gewicht fällt, lenkt die Rolle die Spannung auf die Schnur um, um das Segel zu ziehen, das oben eine 10 cm lange Flagge hat. Eine Fototür in einem bekannten Abstand vom Startpunkt zeichnet die Zeit auf, die die Flagge benötigt, um sie zu passieren

Die endgültige Segelgeschwindigkeit ist die Länge der Flagge geteilt durch die Zeit, die sie durch die Fototür passiert. Mit der Endgeschwindigkeit des Segels und der zurückgelegten Strecke ist es möglich, die Beschleunigung zu berechnen.

Richten Sie das Experiment ein, indem Sie den Photoporte-Timer an der 100-cm-Marke auf der Luftspur und den Segelflugzeug an der 190-cm-Marke platzieren. Der Schieberegler hat eine Masse von 200 Gramm. Halten Sie das Segel so, dass es sich nicht bewegt, und fügen Sie Gewichte zum Ende der Kette hinzu, um zu hängen Die Gesamtmasse beträgt ebenfalls 10 Gramm

Sobald die Gewichte angebracht sind, lassen Sie den Schirm los Zeichnen Sie seine Geschwindigkeit für fünf Läufe auf und berechnen Sie den Durchschnitt. Verwenden Sie Kerzenmasse und Hängegewicht, um experimentelle und theoretische Beschleunigungen zu berechnen und die Ergebnisse aufzuzeichnen.

Fügen Sie der Kerze nun vier weitere Gewichte hinzu und verdoppeln Sie ihre Masse auf 400 Gramm. Platzieren Sie den Schirm an der 190-cm-Marke, um das Experiment zu wiederholen. Lassen Sie den Schirm los und notieren Sie Ihre Geschwindigkeit für fünf Läufe. Berechnen und notieren Sie erneut die Durchschnittsgeschwindigkeit sowie die experimentellen und theoretischen Beschleunigungen.

Entfernen Sie für die letzten Tests die Gewichte von der Kerze, damit sie ihre ursprüngliche Masse von 200 Gramm hat. Fügen Sie dann dem hängenden Teig Gewichte hinzu, bis Sie einen neuen Teig von 20 Gramm haben. Wiederholen Sie das Experiment für weitere fünf Läufe.

Fügen Sie schließlich der hängenden Masse bis zu 50 Gramm mehr Gewicht hinzu und wiederholen Sie dieses Experiment für fünf weitere Läufe.

Daran erinnern, dass die theoretische Beschleunigung des Segels gleich der Beschleunigung aufgrund der Schwerkraft ist g multipliziert mit dem Massenquotienten des absteigenden Gewichts und der Masse das Gewicht und der Schirm zusammen. Wie die theoretischen Werte in dieser Tabelle zeigen, nimmt die Beschleunigung mit zunehmender Masse des Segelflugzeugs ab.

Umgekehrt nimmt die Beschleunigung zu, wenn die Masse des Sturzes aufgrund höherer Gewalt an Gewicht zunimmt. Beachten Sie, dass die durch diese Gleichung vorhergesagten Beschleunigungen einen Maximalwert von g haben können, der 9,8 Meter pro Sekunde im Quadrat beträgt.

Als nächstes wollen wir sehen, wie man die experimentelle Beschleunigung berechnet. Zum Beispiel verwendet der erste Test ein Segelflugzeug von 200 Gramm und ein Gewicht von 10 Gramm. Die Durchschnittsgeschwindigkeit nach 100 Zentimetern betrug 0,93 Meter pro Sekunde. Unter Verwendung der oben diskutierten Kinematikgleichung beträgt die experimentelle Beschleunigung 0, 43 Meter pro Sekunde im Quadrat. Dieselbe Berechnung, die auf die anderen Tests angewendet wird, führt zu den in dieser Tabelle angegebenen Ergebnissen.

Unterschiede zwischen experimentellen und theoretischen Beschleunigungen können verschiedene Ursachen haben, darunter Einschränkungen der Messgenauigkeit, sehr geringe, aber nicht ganz unbedeutende Reibung in der Luftspur und die Lufttasche unter dem Segel, die sich zur Zugkraft entlang der Kette addieren oder von ihr abziehen kann.

Kräfte sind in fast jedem Phänomen im Universum vorhanden. Auf die Erde gebracht, beeinflussen die Kräfte alle Aspekte des täglichen Lebens.

Der Kopf kann Traumata verursachen und kognitive Funktionen beeinträchtigen. Eine Studie über sportbedingte Gehirnerschütterungen verwendet spezielle Hockeyhelme, die mit dreiachsigen Beschleunigungsmessern ausgestattet sind, um die Beschleunigung während des Aufpralls zu messen.

Die Daten wurden per Telemetrie an Laptops gesendet, die die Messungen zur weiteren Analyse aufzeichneten. Wenn man die Beschleunigungen und die Masse des Kopfes kannte, konnte man Newtons zweites Gesetz, F = ma, verwenden, um die Auswirkungen von Kräften auf das Gehirn zu berechnen.

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Hat nur Beschleunigung und Zeus ‚Einführung in die Kraft gesehen. Jetzt müssen Sie die Prinzipien und das Protokoll hinter dem Laborexperiment verstehen, das Newtons zweites Bewegungsgesetz validiert. Wie immer, danke fürs Zuschauen!

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