Fizica mingilor săritoare GoTec
Studierea mecanicii bilelor săritoare este o modalitate excelentă de a învăța fizica de bază.
Cu toții ne putem uita înapoi la amintirile din copilărie și putem găsi o minge care sări în vreun fel sau într-un fel. Fie că am jucat fotbal cu prietenii, fie că am aruncat o minge de tenis pe perete. Ne-am jucat cu toții cu aceste jucării săritoare.
Deși bilele sunt obiecte destul de puțin vizibile pentru majoritatea oamenilor, ele servesc de fapt ca o piatră de temă interesantă pentru a afla despre multe fenomene fizice interesante. Accelerare, viteză, energie; toate acestea pot fi învățate prin studierea fizicii din spatele bilelor săritoare.
În orice săritură a mingii există în esență șapte faze în care acțiunea poate fi împărțită în timpul mișcării, înainte, în timpul și după investigarea impactului.
Mai întâi ne vom uita la cele șapte faze simplificate ale săriturii mingii, ignorând orice altă forță externă decât gravitația. Vom descompune fiecare pas în detaliu cu ecuații și da (pentru fizicienii dintre voi) am simplificat foarte mult. Vă rugăm să ne verificați. Un mic downer: dacă aveți nevoie de o înțelegere mai profundă, videoclipul de mai jos va fi doar biletul.
Nivelul 1: Căderea
Prima etapă este cerșitul fiecărei mingi, în care energia potențială din înălțimea mingii este transformată în energie cinetică prin accelerația gravitației. Într-un caz simplificat, mingea cade în funcție de gravitație, care este întotdeauna îndreptată direct în jos. Pe pământ, această accelerație gravitațională este de 9,8 m/s2 (g = 9,8 m/s2). Aceasta înseamnă, în esență, că viteza mingii este mărită cu 9,8 m/s pe secundă de cădere.
Etapa 2: primul contact
Prima fază de contact este tocmai asta; când mingea este abia în contact cu suprafața solului. Va continua să cadă sub influența accelerației gravitaționale, dar acum o forță normală de la suprafața solului care se opune forței gravitaționale va acționa asupra mingii.
Nivelul 3: încetinire/accelerație negativă
După primul impact, mingea este decelerată rapid sau accelerată într-o direcție negativă. Viteza mingii este încă îndreptată în jos pe măsură ce se deformează, dar accelerația mingii începe să se îndrepte din nou în momentul în care forțele din reacție depășesc gravitația, ceea ce înseamnă, în termeni simpli, că mingea împinge solul cu o forță care este mai mare decât propria greutate, astfel încât accelerația trebuie să fie îndreptată în sus.
Nivelul 4: Deformație maximă
După faza de decelerare, bila a atins deformarea maximă. În acest moment, viteza este zero și vectorul de accelerație este îndreptat în sus. Acesta este cel mai jos punct al mingii și punctul său maxim deformat. Dacă presupunem că mingea este complet elastică și ignorăm alte pierderi de energie, cum ar fi sunetul și căldura, atunci după acest moment, mingea va reveni la înălțimea inițială de cădere.
Etapa 5: Rebot inițial
În această fază, mingea își începe călătoria înapoi la punctul de plecare. Vectorii săi de viteză și accelerație indică în aceeași direcție, adică în sus. Mingea se deformează mai puțin decât nivelul maxim de deformare și, datorită elasticității sale, apasă acum pe suprafață cu o forță mai mare decât propria greutate. Acest lucru face ca mingea să sară în sus.
Nivelul 6: zero revenire la contact
Cu un contact zero, mingea nu mai este deformată și abia atinge suprafața, în esență doar la un moment dat. Viteza mișcă mingea în sus, dar în acest moment accelerația comută pentru a contracara vectorul vitezei.
Acest lucru se datorează faptului că elasticitatea apăsării mingii pe suprafață nu mai exercită o forță care o accelerează în sus. Accelerația datorată tragerii gravitației este acum singura forță care acționează asupra mingii într-un sistem perfect.
Nivelul 7: revenire completă
La sărituri complete, mingea a părăsit suprafața și vectorul său de viteză este încă îndreptat în sus, deși se micșorează constant din cauza accelerației sau decelerării prin gravitație. După acest pas, bila atinge punctul culminant pe un nou pas în care vectorul său de viteză este zero și singura forță care acționează asupra sa este gravitația.
S-au adăugat variabile și cazuri speciale în fizica mingii care sări
Carcasa cu bilă săritoare de mai sus a fost simplificată pentru a elimina toate celelalte forțe, cum ar fi rezistența la aer, elasticitatea imperfectă, rotirea, fricțiunea și forța de la o primă aruncare, printre altele. Toate acestea înseamnă că fizica mingii săritoare devine mai complicată de aici.
Dacă bilele au vreo rotație, așa cum se întâmplă de obicei atunci când sunt aruncate și dacă suprafața pe care o lovesc nu este netedă, rotația mingii este inversată înainte de după impact. Acest lucru se datorează forței de frecare.
Când mingea lovește cu o rotire într-o singură direcție, forța de frecare F contracareză rotirea mingii. Sau mai bine zis, forța de frecare este întotdeauna opusă direcției vitezei de alunecare dintre bila rotativă și suprafață. Deoarece forța de frecare se opune rotirii mingii, aceasta întoarce mingea în cealaltă direcție. De asemenea, face ca traseul mingii să se deplaseze oblic în direcția forței de frecare.
În termeni simpli: dacă o minge se rotește într-o direcție când lovește un perete, fricțiunea dintre minge și perete depășește rotația atât de mult încât își inversează direcția de rotație.
Această inversare a centrifugării nu are loc dacă bila și coeficientul de frecare al peretelui nu sunt suficient de mari. Coeficientul de frecare variază în funcție de material și suprafață și este în esență un număr care indică cât de aglomerată este o suprafață sau un material.
În scenarii reale, non-ideale, bilele care revin pierd energie și, în cele din urmă, se opresc. Toate acestea se datorează forțelor pe care le-am ignorat în primul exemplu. Când o minge lovește un perete sau o suprafață, scoate un sunet care este o pierdere de energie din impactul mingii. De asemenea, generează o anumită cantitate de căldură, o altă pierdere de energie. Fricțiunea de pe perete provoacă pierderi de energie și trage pe măsură ce mingea se mișcă. În esență, mingea nu va avea niciodată atât de multă energie potențială sau cinetică ca și imediat după ce a fost aruncată sau chiar înainte de a atinge o suprafață.