Маятник ньютона сообщение кратко

Обновлено: 05.07.2024

Для учеников 1-11 классов и дошкольников
Бесплатные сертификаты учителям и участникам

Муниципальное общеобразовательное учреждение

средняя общеобразовательная школа № 6

имени Л.И. Ошанина

Проектная работа по физике

Маятник Ньютона

Ученик 9 А класса

Шаров Максим

2.1.Маятники. Виды маятников.

2.2. История открытия маятника Ньютона

2.3.Принцип работы маятника Ньютона.

2.4.Применение маятника Ньютона.

Анализ результатов эксперимента

Физика – наука экспериментальная. Сейчас существует много способов заинтересовать учащегося изучать эту сложную и важную для жизни каждого человека науку: обучающие интернет сайты, научно- популярная литератураи даже интерактивные музеи. Такой Музей занимательных наук Эйнштейна в Ярославле япосетил с родителями в прошлом году. В нем представлены интересные экспонаты, демонстрирующие различные физические явления. Я обратил внимание на различные маятники и решил попробовать сделать один из них своими руками.

Цель работы: конструирование прибора –модели маятника Ньютона.

Проанализировать литературу по рассматриваемому вопросу.

Продумать конструкцию маятника с наименьшими затратами и хорошим эстетическим видом.

Изготовить и привести в действиеприбор- маятник Ньютона.

Гипотеза: Сконструированный маятник Ньютона продемонстрирует законы взаимосвязи механической энергии и импульса.

2. Теоретическая часть.

2.1.Маятники. Виды маятников.

Ма́ятник — система, подвешенная в поле тяжести и совершающая механические колебания. Колебания совершаются под действием силы тяжести, силы упругости и силы трения. Во многих случаях трением можно пренебречь, а от сил упругости (либо сил тяжести) абстрагироваться, заменив их связями.

Во время колебаний маятника происходят постоянные превращения энергии из одного вида в другой. Кинетическая энергия маятника превращается в потенциальную энергию (гравитационную, упругую) и обратно. Кроме того, постепенно происходит преобразование кинетической энергии в тепловую, за счёт сил трения.

Одним из простейших маятников является шарик, подвешенный на нити. Идеализацией этого случая является математический маятник — механическая система , состоящая из материальной точки , подвешенной на невесомой нерастяжимой нити или на невесомом стержне в поле тяжести .

Если размерами массивного тела пренебречь нельзя, но всё ещё можно не учитывать упругих колебаний тела, то можно прийти к понятию физического маятника.

Физический маятник — твёрдое тело , совершающее колебания в поле каких-либо сил относительно точки, не являющейся центром масс этого тела, или неподвижной горизонтальной оси, не проходящей через центр масс этого тела.

Система из нескольких шариков, подвешенных на нитях в одной плоскости, колеблющихся в этой плоскости и соударяющихся друг с другом, называется маятником Ньютона . Здесь уже приходится учитывать упругие процессы и законы сохранения импульса.

Маятник Фуко — это груз, подвешенный на нити, способный изменять плоскость своих колебаний.

Ещё одним простейшим маятником является пружинный маятник. Пружинный маятник — это груз, подвешенный на пружине и способный колебаться вдоль вертикальной оси.

Крутильный маятник — механическая система, представляющая собой тело, подвешенное в поле тяжести на тонкой нити и обладающее лишь одной степенью свободы: вращением вокруг оси, задаваемой неподвижной нитью.

Маятник Капицы — пример динамически стабилизированного перевернутого маятника.

Маятники используются в различных приборах, например, в часах и сейсмографах .

Маятники облегчают изучение колебаний, так как наглядно демонстрируют их свойства.

2.2. История открытия маятника Ньютона.

Великий учёный Исаак Ньютон изобрел наглядную демонстрацию преобразования энергии - маятник или как ее еще называют - колыбель. Это устройство представляет собой конструкцию из пяти одинаковых металлических шаров, каждый из которых крепится с помощью двух тросов к каркасу, а тот в свою очередь к прочному основанию П-образной формы .

Исследование и использование маятниковых устройств для демонстрации закона воздействия между несколькими телами, было сначала описано учёным Мариоттом в 17-м столетии. Кроме Ньютона, принцип маятника использовали и другие физики. Среди них Христиан Гюйгенс, который изучал столкновение, а также физик АббеМэрайотт, он изучал закон воздействия тел друг на друга.

Есть много разногласий, как же все-таки появилась современная колыбель Ньютона. К примеру, Мариуса Морина считают учёным, который первым сконструировал и дал название популярной сегодня конструкции. Он сделал для своей компании деревянную версию маятника. Сувениры -шар ы б ы ли успешно проданы и положили начало ринку таких игрушек. Парой лет потому режиссёр и скульптор Ричард Лонкрейн усовершенствовал шары, сделал их хромовыми, благодаря чему дизайн бил признан очень успешным.

Устройство колыбели с самыми большими шарами столкновения диаметра на общественном дисплее, демонстрировалось больше года в Милуоки, Висконсин в американской Науке розничного магазина и Излишке. Каждый шар был надувным шаром осуществления 26 дюймов в диаметре (приложенный в клетке стальных колец) и был поддержан от потолка, используя чрезвычайно сильные магниты. Это было демонтировано в начале августа 2010 из-за проблем обслуживания .

В Соединённых Штатах Америки в Мичигане установили самую большую модель колыбели Ньютона. Она состоит из 16 шаров для боулинга, которые весят 6.8 кг каждый. Они крепятся на прочных тросах длиной 6.1 метра и возвышены на 1 метр над землей (приложение 1)

2.3.Принцип работы маятника Ньютона

Если к шарикам не прикасаться, то они все время находятся в неподвижном состоянии. Чтобы увидеть движение маятника, нужно привести в действие крайний шар, тогда шар на другом краю будет совершать колебания с такой же скоростью и амплитудой, как и предыдущий. Движения происходят по конкретной траектории и с постоянной частотой. Это демонстрирует закон сохранения импульса, а также превращение потенциальной энергии в кинетическую и наоборот.

Поскольку первое тело производит ударную волну, она передается через промежуточные сферы, которые остаются неподвижными, и воспроизводиться в последнем шаре . Если бы не было затрат энергии и препятствий таких как трение, маятник мог бы стать вечным двигателем. Но в природе это невозможно и колебания шаров со временем утихают, поскольку движению препятствуют диссипативные силы. Энергетические потери – причина по которой шары в конечном счете останавливаются. Более высокий вес стали уменьшает относительный эффект сопротивления воздуха. Размер стальных шаров ограничен, потому что столкновения могут превысить упругий предел стали, исказив его и порождения тепловых потерь. Продолжительность работы маятника напрямую зависит от веса и размера шариков: чем больше их диаметр и чем они тяжелее, тем дольше будет длиться данный процесс, и наоборот .

Маятник Ньютона устроен так, что начальный шар передаёт импульс второму шарику, а затем замирает. Нашему глазу на первый взгляд незаметно, как следующий шарик приминает импульс от предыдущего, мы не можем проследить его скорость. Но, если взглянуть пристальнее, можно заметить, как: шарик немножко “вздрагивает”. Это объясняется тем, что он совершает движения с посланной ему скоростью, но поскольку расстояние очень маленькое и ему некуда разогнаться, то он может на своем коротком пути передать импульс третьему шарику и и в итоге остановиться.

Такое же действие совершает и следующий шарик, и так далее. Второе тело принимает импульс потенциальной энергии от предыдущего, но поскольку нет возможности превращения потенциальной энергии в кинетическую, то импульс передается от второго шара далее - в третий, четвертый, пятый. У последнего шарика некуда передавать свой импульс, поэтому он свободно колеблется, поднимаясь на определенную на высоту, а затем возвращается, и весь процесс передачи импульсов повторяется в обратном порядке.

Представим маятник, состоящий всего из двух сфер. В этом случае шар в движении сталкивается с соседом, который пребывает в состоянии покоя. Соприкасание упругое и центральное (так как оно наблюдается в идеальной к олыбели Ньютона ). Чтобы сосчитать скорости шаров после упругого столкновения, необходимо воспользоваться уравнением закона сохранения импульса для такой схемы и уравнением закона сохранения энергии, а потом развязать полученную систему уравнений. Итог известен: шар, который двигался останавливается, а тот, что пребывал в состоянии покоя, обретает скорость первого.

Колебания похожи на распространение упругой волны в твёрдом теле, или же на посыл упругих возмущений и энергии упругой деформации без переноса вещества, как это происходит со звуком. Этот закон будет работать, если давать ускорение двум или трем телам одновременно.

2.4.Применение маятника

Шары Ньютона признали еще в конце 20 века, они чаще всего применялись для релаксации, в психотерапии, а также для подсчета времени. Декоративная модель шаров Ньютона пользуется неизменной популярностью уже многие годы. Мерное колебание, монотонное постукивание шаров и их блеск способствуют расслаблению. Это отличное средство для нервной систем ы , наблюдаетсянесколькотиповвлияния:

- успок аивает нервы ;

- сн имает стрес с;

- помо гает привести мысли в порядок ;

- отвл екает от проблем ;

Многие приобретают ее для офиса, устанавливают в кабинете или на рабочем столе. Маятник спасает в ситуациях, когда в разгар трудового дня никак не получается сконцентрироваться на главном из-за больших умственных нагрузок. За движением шаров можно наблюдать бесконечно. Отзывы довольных обладателей доказали, что энергия от движения маятника преобразовывается в интенсивный поток мыслей, интересных идей и в замечательное настроение на целый день.

Удовольствие аксессуар приносит также из-за того, что вы смотрите и знаете, что это инсталляция закона сохранения импульса и сохранения энергии, поэтому наблюдение плавного движения шаров имеет особый смысл. Маятник станет отличной деталью интерьера кабинета в стиле хай-тек, это оригинально и стильно. Маятник Ньютона - прекрасный подарок для человека, который увлекается разними диковинками, головоломками и конструкторами.

3.Экспериментальная часть.

3.1. Изготовление маятника

Проанализировав литературу, я выделил т ребования при конструировании, изготовлении и применении самодельного прибора:

четко представлять его назначение и применение;

заранее рассчитать его отдельные элементы, сделать необходимые схемы, чертежи;

хорошо представлять принцип действия прибора;

уяснить, на использовании каких законов основана его работа;

от каких факторов зависит эффективность его демонстрации.

Для изготовления маятника Ньютона мне понадобилось: ( приложение 2)

металлические шарики от подшипника (5 штук)

нить хлопчатобумажная (5 штук по 40 см)

Выбрать подставку для маятника (приложение 3)

Рассчитать диаметр одного шарика.

Для того, чтобы шарики касались друг друга, необходимо вычислить их диаметр. Для расчета можно воспользоваться способом рядов: ( приложение 4)

На линейке сделать метки, соответствующие размеру одного шарика (приложение 5)

Прикрепить нить к шарикам с помощью клея ( приложение 6)

Закрепить нить в линейке и отрегулировать длину так, чтобы шарики касались друг друга. (приложение 7)

Анализ результатов эксперимента

В ходе конструированиямодели маятника и демонстрации эксперимента возник ряд трудностей:

Прикрепление нити с помощью клея необходимо производить так, чтобы точка опоры на шарике была одна, иначе при прикреплении нити к линейке трудно выровнять все длины.

Опора для нитей должна быть жесткой, даже маленькие шарики приводят к ее провисанию.

Колебания резко затухают, так как сложно выставить шарики в одну линию.

Несмотря на трудности, маятник Ньютона продемонстрировал передачу импульса и энергии от одного крайнего шарика к другому.

Наблюдать за опытами, которые проводит учитель интересно, но проводить его самому интересно вдвойне, тем более, если сконструировал и сделал прибор своими руками.

В ходе данной работы я познакомился с новыми физическими понятиями и величинами, такими как энергия, импульс и др. Убедился, что способы, изученные на уроках физики, например способ измерения размеров малых тел ( способ рядов), может понадобиться для вычисления не только физических задач.

Колыбель Ньютона — это устройство, которое демонстрирует эффект сохранения импульса и энергии с помощью серии качающихся стальных шариков.

Когда один шарик (сфера) в конце поднимается и выпускается, он ударяется о неподвижные шарики, передавая энергию через неподвижные шарики, которые толкают последний шар.

Последний тяжелый шар отбрасывается назад и ударяет по почти неподвижным сферам, повторяя эффект в противоположном направлении.

Устройство названо в честь английского ученого 17-го века сэра Исаака Ньютона. Это устройство также известно как шары Ньютона.

Колыбель этого типа состоит из серии металлических шариков одинакового размера, подвешенных в металлической раме, так что они просто касаются друг друга в покое.

Каждый шар прикреплен к раме двумя нитями одинаковой длины, расположенными под углом друг к другу. Это ограничивает движения маятников в одной плоскости.

Все движущиеся шары делают это в движении дуги в вертикальной плоскости. Обратите внимание на инерцию покоя и инерцию движения, все это прекрасно показано.

Кроме того, это пример ускорения без начальной

скорости, без пройденного расстояния. Просто спроектированный, но глубокий, изящный, артистичный, гипнотизирующий и так красиво математический.

Принцип работы колыбели Ньютона

Маяник Ньютона устроен так, что начальный шар передаёт импульс второму шарику, а затем замирает. Нашему глазу на первый взгляд незаметно, как следующий шарик приминает импульс от предыдущего, мы не можем проследить его скорость. Но, если взглянуть пристальнее, можно заметить, как: шарик немножко “вздрагивает”. Это объясняется тем, что он совершает движения с посланной ему скоростью, но поскольку расстояние очень маленькое и ему некуда разогнаться, то он может на своем коротком пути передать импульс третьему шарику и и в итоге остановиться.

История изучения принципа маятника

Исследование и использование маятниковых устройств для демонстрации закона воздействия между несколькими телами, было сначала описано учёным Мариоттом в 17-м столетии. Кроме Ньютона, принцип маятника использовали и другие физики. Среди них Христиан Гюйгенс, который изучал столкновение, а также физик Аббе Мэрайотт, он изучал закон воздействия тел друг на друга.

Есть много разногласий, как же все таки появилась современная колыбель Ньютона. К примеру, Мариуса Морина считают учёным, который первым сконструировал и дал название популярной сегодня конструкции. Он сделал для своей компании деревянную версию маятника. Сувениры -шар ы б ы ли успешно проданы и положили начало ринку таких игрушек. Парой лет потому режиссёр и скульптор Ричард Лонкрейн усовершенствовал шары, сделал их хромовыми, благодаря чему дизайн бил признан очень успешным.

Продавать изобретение Исаака Ньютона в 1967 году предложил Саймон Преббл, актер из Англии. Именно он и дал название прибору - "колыбель Ньютона". С тех пор маятник стал популярным сувениром и прекрасной деталью в интерьере. Истории известен случай, когда сделали очень большое устройство маятника из 501 тонны бетона и листовой стали. Но это устройство колыбели за счет массивности имело погрешности в действии.

Версия меньшего масштаба состояла из пяти 6-дюймовых хромовых шариков-подшипников стали, каждый из которых весил 33 фунта. Эта модель била практически такая же эффективна как настольная версия. В Соединённых Штатах Америки в Мичигане установили самую большую модель колыбели Ньютона. Она состоит из 16 шаров для боулинга, которые весят 6.8 кг каждый. Они крепятся на прочных тросах длиной 6.1 метра и возвышены на 1 метр над землей.

Существует очень много видов таких сувениров, которые повторяют модели вечных двигателей и один из них - маятник Ньютона . Это устройство, конечно, не может подзарядить электроприбор, но зато оно способно принести истинное эстетическое удовольствие, на конструкцию и ее действие можно смотреть в течении длительного времени. Длительность колебаний зависит от величины и массы шариков: чем больше вес и размеры сфер, тем дольше происходят движения, и наоборот.

Влияние кол ы бели на нервную систему

- успок аивает нервы ;

- сн имает стрес с;

- помо гает привести мысли в порядок ;

- отвл екает от проблем ;

Удовольствие аксессуар приносит также из-за того, что вы смотрите и знаете, что это инсталляция закона сохранения импульса и сохранения энергии, поэтому созерцание плавного движения шаров имеет особый смысл. Маятник станет отличной деталью интерьера кабинета в стиле хай-тек, это оригинально и стильно. Маятник Ньютона - прекрасный подарок для человека, который увлекается разними диковинками, головоломками и конструкторами.

Если Вы ищите подарок для вашего коллеги, уважаемого начальника или для друг а , который работает в офисе - приобретите маятник Ньютона, это будет полезно и уместно. На с увенир шар ы , к тому же, можно приобрести по доступной цене и в хорошем качестве. Материал, из которого состоят изделия, не изнашивается, он качественный и безопасный для здоровья.

Маятник Ньютона является маятником является пять шаром компонентов и для иллюстрации сохранения теорий импульса и энергии .

Резюме

Описание

Маятник Ньютона состоит из пяти металлических шаров одинаковой массы, подвешенных на двух проволоках к двум жестким стержням. Эти пять мячей касаются друг друга в состоянии покоя и расположены в средней плоскости двух стержней. Его действие основано на принципе ответных действий. Первый закон Ньютона гласит, что действует принцип действие-противодействие.

До удара	После удара

Варианты движения маятника Ньютона.

Когда вы бросаете два мяча, два шара с другой стороны начинают двигаться. При броске трех мячей с другой стороны два оставшихся шара приводятся в движение, когда мяч попадает в них. То же самое и с четырьмя шарами.

Менее известные опыты: если мы бросаем мяч в обе стороны одновременно, они отскакивают одновременно, в то время как трое в середине остаются неподвижными. Аналогично, с двумя шарами с каждой стороны, последний шар неподвижен. Если мы бросим три шара в одну сторону и два - в другую, они столкнутся и полетят три в одном направлении, два - в другом, поочередно.

Удаление неподвижного мяча, когда другой совершает движение в другую сторону, изменяет движение мяча.

Можно бросать несколько мячей в разное время, чтобы увеличить количество движений и ударов, но результаты часто искажаются из-за внешних воздействий и несовершенства материала.

Консервативная интерпретация

Принцип маятника основан на двух принципах сохранения, которые касаются соответственно кинетической энергии и количества движения.

Случай, когда мы бросаем мяч

Интерпретация здесь проще, если рассмотреть маятник только с двумя шарами. В этом анализе вызванные принципы сохранения приводят к системе двух уравнений, в которых характеристики маятника до и после столкновения шаров связаны. При исходных данных о шарах, которые представляют собой нулевую начальную скорость одного из них и равенство их масс, разрешение системы позволяет найти соответствующую скорость двух шаров после их столкновения. Затем было замечено, что эффект удара просто заключается в изменении скорости двух шаров.

Если мяч брошен с одной стороны на несколько других неподвижных, этот мяч останавливается после удара, а мяч, находящийся на другом конце, поднимается, восстанавливая движение первоначально брошенного шара.

Случай, когда мы бросаем два мяча

Два шара на противоположном конце поднимаются, потому что они поражены двумя ударами, временно отделенными от короткого промежутка времени [неразборчиво] .

При броске трех и более мячей

История и эпонимия

Джон Уоллис , Кристофер Рен и Кристиан Гюйгенс представили Королевскому обществу в 1662 году мемуары, описывающие принципы работы этого маятника. Следовательно, Ньютон не участвовал в этом. У Рене Декарта была идея сохранения углового момента , но его решение проблемы не было полным.

Читайте также: