Fyzika odrážajúcich gúľ GoTec
Štúdium mechaniky odrážajúcich lôpt je skvelý spôsob, ako sa naučiť základnú fyziku.
Všetci sa môžeme pozerať späť na spomienky z detstva a nájsť odrážajúcu sa loptičku v nejakom tvare alebo spôsobom. Či už sme hrali futbal s priateľmi alebo hodili tenisovú loptičku o stenu. Všetci sme sa hrali s týmito skákacími hračkami.
Aj keď sú lopty pre väčšinu ľudí skôr nenápadné predmety, v skutočnosti slúžia ako zaujímavý odrazový mostík k poznaniu mnohých zaujímavých fyzikálnych javov. Zrýchlenie, rýchlosť, energia; to všetko sa dá naučiť štúdiom fyziky za odrážajúcimi loptičkami.
Pri každom odraze lopty je v podstate sedem fáz, do ktorých je možné akciu rozdeliť počas pohybu, pred, počas a po vyšetrení nárazu.
Najprv sa pozrieme na sedem zjednodušených fáz odrazu lopty, ignorujúc každú vonkajšiu silu okrem gravitácie. Každý krok podrobne rozoberieme pomocou rovníc a áno (pre fyzikov medzi vami) sme to veľa zjednodušili. Skontrolujte nás prosím. Jeden malý downer: ak potrebujete hlbšie porozumenie, video nižšie bude iba tiket.
Úroveň 1: Pád
Prvým stupňom je žobranie každej gule, v ktorej sa potenciálna energia z výšky gule prevádza gravitačným zrýchlením na kinetickú energiu. V zjednodušenom prípade lopta padá podľa gravitácie, ktorá smeruje vždy priamo dole. Na Zemi je toto gravitačné zrýchlenie 9,8 m/s2 (g = 9,8 m/s2). To v podstate znamená, že rýchlosť lopty sa zvyšuje o 9,8 m/s za sekundu pádu.
Fáza 2: prvý kontakt
Prvá kontaktná fáza je práve táto; keď je lopta sotva v kontakte s povrchom zeme. Bude naďalej padať pod vplyvom gravitačného zrýchlenia, ale teraz bude na loptu pôsobiť normálna sila z povrchu zeme pôsobiaca proti gravitačnej sile.
Úroveň 3: spomalenie/negatívne zrýchlenie
Po prvom náraze sa lopta rýchlo spomalí alebo sa zrýchli v negatívnom smere. Rýchlosť gule pri deformácii stále smeruje nadol, ale zrýchlenie gule začne opäť smerovať nahor, keď sily z reakcie prekonajú gravitáciu, čo zjednodušene znamená, že lopta tlačí silou proti zemi to je väčšie ako jeho vlastná hmotnosť, takže zrýchlenie musí smerovať nahor.
Úroveň 4: Maximálna deformácia
Po fáze spomalenia dosiahla guľa maximálnu deformáciu. V tomto bode je rýchlosť nulová a vektor zrýchlenia smeruje nahor. Toto je najnižší bod lopty a jej maximálny deformovaný bod. Ak predpokladáme, že lopta je úplne elastická a ignorujeme ďalšie straty energie, ako sú zvuk a teplo, potom by sa lopta po tomto bode odrazila späť do svojej pôvodnej výšky pádu.
Fáza 5: Počiatočný odraz
V tejto fáze lopta začína svoju cestu späť do východiskového bodu. Jeho vektory rýchlosti a zrýchlenia smerujú rovnakým smerom, teda nahor. Guľa je deformovaná menej ako maximálna úroveň deformácie a kvôli svojej pružnosti teraz tlačí na povrch silou, ktorá je väčšia ako jej vlastná hmotnosť. To spôsobí, že sa lopta odrazí nahor.
Úroveň 6: odskok nulového kontaktu
Pri odraze s nulovým kontaktom sa lopta už nedeformuje a sotva sa dotkne povrchu, v podstate iba v jednom bode. Rýchlosť posúva loptu nahor, v tomto okamihu sa však zrýchlenie prepne, aby pôsobilo proti vektoru rýchlosti.
Je to preto, že pružnosť lopty, ktorá tlačí na povrch, už nevyvíja silu, ktorá ju urýchľuje smerom hore. Zrýchlenie v dôsledku gravitačného sťahovania je teraz jedinou silou pôsobiacou na loptu v perfektnom systéme.
Úroveň 7: Úplný odraz
Pri úplnom odrazení lopta opustila povrch a jej vektor rýchlosti stále smeruje nahor, aj keď sa neustále zmenšuje v dôsledku zrýchlenia alebo spomalenia pôsobením gravitácie. Po tomto kroku vrcholí guľa v novom kroku, kde je jej vektor rýchlosti nulový a jedinou silou na ňu pôsobiacou je gravitácia.
Pridané premenné a špeciálne prípady z fyziky odrážajúcej lopty
Vyššie uvedené puzdro s odrážajúcou loptičkou bolo zjednodušené, aby sa okrem iného odstránili všetky ostatné sily, ako napríklad odpor vzduchu, nedokonalá elasticita, roztočenie, trenie a sila z prvého hodu. To všetko znamená, že fyzika odrážajúcej sa lopty sa odtiaľto komplikuje.
Ak majú loptičky nejaké točenie, ako je to obvykle pri vrhaní, a ak povrch, na ktorý narazia, nie je hladký, je rotácia lopty obrátená spredu do po dopade. Je to spôsobené trecou silou.
Keď loptička zasiahne otáčaním v jednom smere, trecia sila F pôsobí proti otáčaniu lopty. Alebo skôr, trecia sila je vždy opačná k smeru rýchlosti kĺzania medzi rotujúcou guľou a povrchom. Pretože trecia sila je proti pretočeniu lopty, otočí ju opačným smerom. Tiež to spôsobí, že sa dráha lopty pohybuje šikmo v smere trecej sily.
Zjednodušene povedané: ak sa loptička pri dopade na stenu točí jedným smerom, trenie medzi loptou a stenou prekoná rotáciu natoľko, že obráti jej smer otáčania.
K obráteniu točenia nedôjde, ak koeficient trenia gule a steny nie sú dostatočne vysoké. Koeficient trenia sa líši v závislosti od materiálu a povrchu a je to v podstate číslo, ktoré udáva, aký je povrch alebo materiál priľnavý.
V reálnych, nie ideálnych scenároch strácajú odrážajúce sa lopty energiu a nakoniec sa zastavia. To všetko je spôsobené silami, ktoré sme v prvom príklade ignorovali. Keď lopta dopadne na stenu alebo povrch, vydá zvuk, ktorý predstavuje stratu energie pri dopade lopty. Tiež generuje určité množstvo tepla, ďalšiu stratu energie. Trenie o stenu spôsobuje stratu energie a odpor pri pohybe lopty. Lopta v podstate nikdy nebude mať toľko potenciálnej alebo kinetickej energie ako bezprostredne po hode alebo tesne predtým, ako dopadne na povrch.