Фізичні іграшки. "Колиска Ньютона"
Приєднуйтесь на сервер "Фізика" на Discord: https://discord.com/invite/ZUxcC22
"Колиска Ньютона" - механічна модель, створена Ісааком Ньютоном для демонстрації перетворення енергії різних видів один в одне: кінетичної в потенціальну і навпаки.
Цю популярну іграшку-сувенір, придуману англійським актором Саймоном Пребблу в 1967 році, сьогодні часто зустрічаємо на письмових столах в кабінетах і офісах, можна помістити і в музей фізики.
Якщо відхилити першу кульку й відпустити, то її енергія і імпульс передадуться без зміни через три середніх кульки останній, яка придбає ту ж швидкість і підніметься на ту ж висоту. Вона у свою чергу передасть свій імпульс і енергію по ланцюжку знову першій кульці.
Крайні маятники будуть коливатися, а середні кульки будуть покоїтися.
Якщо б не було втрат механічної енергії внаслідок роботи сил тертя та пружності, то коливання тривали б вічно, але вони загасають, тому в реальних механічних системах завжди діють дисипативні сили.
Цікавим є те, що першу кульку передає імпульс останній не безпосередньо, а через середні кульки, які залишаються нерухомими.
Картина нагадує поширення пружної хвилі в твердому тілі, тобто передачу пружних збурень та енергії пружної деформації без перенесення речовини (наприклад, звук).
Питання: чи буде передаватися імпульс, якщо залишити дві крайніх кульки, а середні замінити підвішеним металевим стрижнем. А якщо стрижень закріпити жорстко?
Розглянемо простий випадок, коли рухома куля стикається з такою же кулею в стані покою (Колиска Ньютона всього з двох кульок). Зіткнення пружне і центральне (саме таке спостерігається в ідеальній "Колисці Ньютона").
Щоб знайти швидкість куль після пружного зіткнення, треба записати рівняння закону збереження імпульсу для такої системи і рівняння закону збереження енергії і вирішити отриману систему рівнянь.
Результат відомий: рухома куля зупиняється, а та, що була у стані покою, набуває швидкості першої.
У "Колисці Ньютона" перша кульку передає імпульс другій кульці і зупиняється.
Ми не бачимо, як друга кулька отримує імпульс від першої, не "бачимо" її швидкість. Але, якщо придивитися: кулька ледь помітно "здригається", тобто вона рухається з отриманою швидкістю, але на маленькому шляху "через тісноту».
Але вона встигає на цьому короткому шляху віддати імпульс третій кульці і зупинитися. Те ж з третьою кулькою і т. д.
Остання кулька не має перед собою, кому передати свій імпульс, тому
вільно рухається, піднімаючись на висоту h, потім повертається, і все
повторюється у зворотному напрямку.
Найбільша "Колиска Ньютона" в світі знаходиться в м.Каламазу (штат Мічиган, США). У ній 16 боулінг-куль, масою 6,8 кг кожна, підвішених на нитках довжиною 6,1 м на висоті 1 м від підлоги.
"Колиску Ньютона" можна виготовити самим. Кульки треба підвішувати на двох під кутом одна до одної нитках, щоб площина коливань кульок зберігалася постійною, і удари були центральними.
Як зробити самостійно "Колиску Ньютона".
Фізики жартують:
Немає коментарів:
Дописати коментар