Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение
Новопреображенская средняя школа Чановского района Новосибирской области
«Маятник Ньютона своими руками»
Выполнили: ученицы 8 класса Зарубина Елизавета,
Баширова Залина.
Руководитель: Мухарямова Р.Ш
СОДЕРЖАНИЕ
1.Тема проекта.
1.1 Цель проекта.
1.2 Актуальность.
1.3 Задачи.
1.4 Проблема.
1.5 Введение.
2. Теоретическая часть.
2.1 Маятник. Виды маятников.
2.2 История создания маятника Ньютона.
2.3 Принцип работы маятника Ньютона.
2.4 Приминение маятника Ньютона.
2.5 Практическая часть.
Оглавление
Тема проекта: Маятник Ньютона своими руками.
Цель проекта: Сконструировать своими руками прибор Маятник Ньютона, сделать презентацию и представить проект.
Актуальность: Изучить законы сохранения энергии и доказать взаимосвязь явлений природы. Я думаю что такие понятия как «энергия», «импульс», «работа» пригодятся нам при изучении физики в будущем.
Задачи:
-
Проанализировать информацию по рассматреваемому проекту.
2.Продумать конструкцию маятника из подручных средств.
3. Изготовить прибор Маятник Ньютона и представить его публике.
Проблема: Сделать действующий прибор.
Введение
Колыбе́ль Ньютона (маятник Ньютона) — это физический прибор названный в честь Исаака Ньютона.Это механическая система, предназначенная для демонстрации преобразования энергии различных видов друг в друга: кинетической в потенциальную и наоборот. В отсутствие противодействующих сил (трения) система могла бы действовать вечно, но в реальности это недостижимо.Мы решили своими руками создать этот прибор чтобы продемонстрировать преобразования различных видов энергии друг в друга.
Теоретическая часть
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.
Математический маятник– это осциллятор, представляющий собой механическую систему, состоящую из материальной точки на конце невесомой нерастяжимой нити или лёгкого стержня и находящуюся в однородном поле сил тяготения.
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.
Ещё одним простейшим маятником является пружинный маятник.
Пружинный маятник — это груз, подвешенный на пружине и способный колебаться вдоль вертикальной оси.
Маятник Фуко — это груз, подвешенный на нити, способный изменять плоскость своих колебаний.
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.
История открытия маятника Ньютона.
Исаак Ньютон изобрёл наглядную демонстрацию преобразования энергии — маятник, или колыбель.
Это устройство представляет собой конструкцию из 4-5 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, и физик Аббе Мэрайотт, который изучал закон воздействия тел друг на друга.
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 (силы, при действии которых на механическую систему её полная механическая энергия убывает (то есть диссипирует), переходя в другие, немеханические формы энергии, например, в теплоту). 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 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 колыбели 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.
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 системы, наблюдается несколько типов влияния:
– успокаивает нервы;
– снимает стрессс;
– помогает привести мысли в порядок;
– отвлекает от проблем;
– расслабляет;
– концентрирует внимание.
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.
Практическая часть.
Мы решили изготовить своими руками прибор маятник Ньютона. Для этого мы изучили интернет и поискали информацию по нашему проекту, далее нашли нужные материалы для прибора из подручных средств. Начали изготавливать макет прибора. Для этого нам понадобились такие материалы как:
- Скотч
- Клеевой пистолет
- Пластиковые шары (4шт)
- Деревянные шпажки (16шт)
- Леска
- Пластмасовая подложка (1шт)
Для начала мы приклеили скотчем шпажки по 2 шт , чтобы конструкция была прочнее. Затем соединили макет из шпажек с помощью клеевого пистолета и приклеили его к пластмасовой подложке. После укрепления конструкции мы занялись приклеивание лески к шарам, а уже дальше к шпажкам. В конце на всякий случай проверили и подредоктировали все неровности. Всё, наш макет готов. Приступаем к созданию презентации.
Заключение