Фізика стрибкових кульок GoTec
Вивчення механіки підстрибуючих кульок - чудовий спосіб вивчити базову фізику.
Ми всі можемо озирнутися на спогади дитинства і знайти підстрибуючий м’яч в якійсь формі чи в тому, чи грали ми у футбол з друзями, чи кидали тенісний м’яч об стіну. Ми всі грали з цими підстрибуючими іграшками.
Хоча кулі для більшості людей є досить непомітними предметами, вони насправді служать цікавою сходинкою для вивчення багатьох цікавих фізичних явищ. Прискорення, швидкість, енергія; усьому цьому можна навчитися, вивчаючи фізику за стрибковими кульками.
У будь-якому відскакуванні кулі є, по суті, сім фаз, на які ділення можна розділити під час руху, до, під час і після дослідження удару.
Спочатку ми розглянемо сім спрощених фаз відмов кулі, ігноруючи будь-яку зовнішню силу, крім сили тяжіння. Ми збираємося детально розбити кожен крок рівняннями і так (для фізиків серед вас) ми багато спростили. Будь ласка, перевірте нас. Один невеликий недолік: якщо вам потрібно глибше зрозуміти, відео нижче буде лише квитком.
Рівень 1: Падіння
Перший етап - це прохання кожної кулі, в якому потенційна енергія з висоти кулі перетворюється в кінетичну енергію прискоренням сили тяжіння. У спрощеному випадку куля падає відповідно до сили тяжіння, яка завжди спрямована прямо вниз. На землі це гравітаційне прискорення становить 9,8 м/с2 (g = 9,8 м/с2). Це по суті означає, що швидкість кулі прискорюється на 9,8 м/с за секунду падіння.
Етап 2: перший контакт
Перша фаза контакту - саме така; коли куля ледь стикається з поверхнею землі. Він буде продовжувати падати під впливом гравітаційного прискорення, але тепер на кульку діятиме нормальна сила з поверхні землі, що протистоїть силі тяжіння.
3 рівень: уповільнення/негативне прискорення
Після першого удару м’яч швидко розгальмується або прискорюється в негативному напрямку. Швидкість кулі все ще спрямована вниз, коли вона деформується, але прискорення на кулі знову починає вказувати, коли сили від реакції долають силу тяжіння, що простими словами означає, що м'яч штовхає на землю з силою це більше, ніж його власна вага, так що прискорення повинно бути спрямоване вгору.
Рівень 4: Максимальна деформація
Після фази уповільнення куля досягла максимальної деформації. У цей момент швидкість дорівнює нулю, а вектор прискорення спрямований вгору. Це найнижча точка кулі та її максимальна деформована точка. Якщо припустити, що куля повністю еластична і ігнорувати інші енергетичні втрати, такі як звук і тепло, то після цього моменту кулька повернеться на початкову висоту падіння.
Етап 5: Початковий рикошет
На цій фазі м'яч починає свій шлях назад до вихідної точки. Його вектори швидкості та прискорення спрямовані в одному напрямку, тобто вгору. Куля менш деформована, ніж максимальний рівень деформації, і завдяки своїй еластичності тепер тисне на поверхню із силою, що перевищує власну вагу. Це змушує м’яч відскакувати вгору.
Рівень 6: нуль відскоку контакту
При нульовому відскоку контакту куля вже не деформується і ледве торкається поверхні, по суті лише в одній точці. Швидкість рухає м'яч вгору, але в цей момент прискорення перемикається на протиставлення вектору швидкості.
Це пов’язано з тим, що пружність кульки, що натискає на поверхню, більше не надає сили, що прискорює її вгору. В даний час прискорення, спричинене силою тяжіння, є єдиною силою, що діє на кулю в ідеальній системі.
Рівень 7: повний рикошет
При повному відскаку куля покинула поверхню, і вектор її швидкості все ще спрямований вгору, хоча він неухильно зменшується внаслідок прискорення або уповільнення силою тяжіння. Після цього кроку кулька досягає нового кроку, де його вектор швидкості дорівнює нулю, а єдиною силою, що діє на нього, є сила тяжіння.
Додані змінні та особливі випадки у фізиці стрибаючої кулі
Наведений вище футляр для підстрибуючих кульок був спрощений, щоб, серед іншого, усунути всі інші сили, такі як опір повітря, недосконала пружність, обертання, тертя та сила від першого кидка. Все це означає, що фізика стрибаючої кулі звідси ускладнюється.
Якщо кулі мають будь-яке обертання, як це зазвичай буває при киданні, і якщо поверхня, в яку вони потрапляють, не рівна, обертання кулі змінюється від до до після удару. Це обумовлено силою тертя.
Коли куля вдаряється зі спіном в одному напрямку, сила тертя F протидіє спіну кульки. Вірніше, сила тертя завжди протилежна напрямку швидкості ковзання між кулею, що обертається, і поверхнею. Оскільки сила тертя протистоїть обертанню кулі, вона повертає кульку в інший бік. Це також змушує шлях кульки рухатися похило у напрямку сили тертя.
Простіше кажучи: якщо куля обертається в одному напрямку, потрапляючи на стіну, тертя між кулею і стінкою настільки долає обертання, що змінює напрямок обертання.
Цей обертання обертання не відбувається, якщо куля і коефіцієнт тертя стінки недостатньо високі. Коефіцієнт тертя змінюється в залежності від матеріалу та поверхні і, по суті, є числом, яке вказує, наскільки захоплена поверхня чи матеріал.
У реальних, неідеальних сценаріях кулі, що відскакують, втрачають енергію і врешті-решт зупиняються. Все це завдяки силам, які ми проігнорували у першому прикладі. Коли м’яч потрапляє на стіну або поверхню, він видає звук, який є втратою енергії від удару м’яча. Це також генерує певну кількість тепла, чергові втрати енергії. Тертя об стінку спричиняє втрату енергії та опору при русі кульки. По суті, куля ніколи не матиме стільки потенціалу чи кінетичної енергії, скільки у неї відразу після її кидання або безпосередньо перед тим, як вона потрапить на поверхню.