Физика на подскачащи топки GoTec
Изучаването на механиката на подскачащите топки е чудесен начин да научите основна физика.
Всички можем да погледнем назад към спомените от детството и да намерим подскачаща топка по някаква форма или начин. Независимо дали сме играли футбол с приятели или сме хвърлили тенис топка до стената. Всички сме играли с тези подскачащи играчки.
Докато топките са склонни да бъдат незабележими предмети за повечето хора, те всъщност служат като интересна стъпка, за да научат за много интересни физически явления. Ускорение, скорост, енергия; всичко това може да се научи чрез изучаване на физиката зад подскачащи топки.
При всяко отскачане на топката има по същество седем фази, на които действието може да бъде разделено по време на движението, преди, по време и след разследването на въздействието.
Първо ще разгледаме седемте опростени фази на отскока на топката, пренебрегвайки всяка външна сила, различна от гравитацията. Ще разделим всяка стъпка в детайли с уравнения и да (за физиците сред вас) сме опростили много. Моля, проверете ни. Един малък недостатък: ако имате нужда от по-задълбочено разбиране, видеото по-долу ще бъде само билетът.
Ниво 1: Падане
Първият етап е просенето на всяка топка, при което потенциалната енергия от височината на топката се преобразува в кинетична енергия чрез ускорението на гравитацията. В опростен случай топката пада според силата на гравитацията, която винаги е насочена право надолу. На земята това гравитационно ускорение е 9,8 m/s2 (g = 9,8 m/s2). Това по същество означава, че скоростта на топката се увеличава с 9,8 m/s в секунда на падане.
Етап 2: първи контакт
Първата фаза на контакт е точно това; когато топката едва контактува със земната повърхност. Той ще продължи да пада под въздействието на гравитационното ускорение, но сега върху топката ще действа нормална сила от земната повърхност, противопоставяща се на силата на гравитацията.
Ниво 3: забавяне/отрицателно ускорение
След първия удар топката се забавя бързо или се ускорява в отрицателна посока. Скоростта на топката все още сочи надолу, докато се деформира, но ускорението върху топката започва да се насочва отново, когато силите от реакцията преодолеят гравитацията, което с прости думи означава, че топката се притиска към земята със сила това е по-голямо от собственото му тегло, така че ускорението трябва да сочи нагоре.
Ниво 4: Максимална деформация
След фазата на забавяне топката е достигнала максималната си деформация. В този момент скоростта е нула, а векторът на ускорението е насочен нагоре. Това е най-ниската точка на топката и нейната максимална деформирана точка. Ако приемем, че топката е напълно еластична и игнорираме други енергийни загуби като звук и топлина, тогава след тази точка топката ще отскочи до първоначалната си височина на падане.
Етап 5: Първоначален отскок
В тази фаза топката започва своето пътуване обратно до началната точка. Неговите вектори на скорост и ускорение сочат в една и съща посока, т.е. нагоре. Топката се деформира по-малко от максималното ниво на деформация и поради своята еластичност сега притиска повърхността със сила, по-голяма от собственото й тегло. Това кара топката да отскача нагоре.
Ниво 6: нула отскок на контакт
При отскок на нулев контакт топката вече не се деформира и едва докосва повърхността, по същество само в една точка. Скоростта движи топката нагоре, но в този момент ускорението се превключва, за да противодейства на вектора на скоростта.
Това е така, защото еластичността на топката, притискаща повърхността, вече не упражнява сила, която я ускорява нагоре. Ускорението, дължащо се на гравитацията, е единствената сила, действаща върху топката в перфектна система.
Ниво 7: Пълен отскок
При пълен отскок топката е напуснала повърхността и нейният вектор на скоростта все още е насочен нагоре, въпреки че непрекъснато се свива поради ускорение или забавяне от гравитацията. След тази стъпка топката достига кулминация на нова стъпка, където нейният вектор на скоростта е нула и единствената сила, действаща върху нея, е гравитацията.
Добавени променливи и специални случаи във физиката на подскачащата топка
Калъфът с подскачащи топчета по-горе е опростен, за да премахне всички други сили, като въздушно съпротивление, несъвършена устойчивост, завъртане, триене и силата от първо хвърляне, наред с други неща. Всичко това означава, че физиката на подскачащата топка се усложнява от тук.
Ако топките имат някакво завъртане, както обикновено се случва при хвърляне, и ако повърхността, която ударят, не е гладка, завъртането на топката се обръща от преди до след удара. Това се дължи на силата на триене.
Когато топката удря със завъртане в една посока, силата на триене F противодейства на завъртането на топката. Или по-точно, силата на триене винаги е противоположна на посоката на скоростта на плъзгане между въртящата се топка и повърхността. Тъй като силата на триене се противопоставя на въртенето на топката, тя обръща топката в другата посока. Той също така кара пътя на топката да се движи наклонено в посока на силата на триене.
Казано по-просто: ако една топка се върти в една посока, когато се удари в стена, триенето между топката и стената преодолява завъртането толкова много, че обръща посоката си на въртене.
Това завъртане на въртене не се извършва, ако топката и коефициентът на триене на стената не са достатъчно високи. Коефициентът на триене варира в зависимост от материала и повърхността и по същество е число, което показва колко хватка е една повърхност или материал.
В реални, неидеални сценарии, отскачащите топки губят енергия и в крайна сметка спират. Всичко това се дължи на силите, които пренебрегнахме в първия пример. Когато топка се удари в стена или повърхност, тя издава звук, който представлява загуба на енергия от удара на топката. Той също така генерира определено количество топлина, още една загуба на енергия. Триенето на стената причинява загуба на енергия и плъзгане, когато топката се движи. По същество топката никога няма да има толкова потенциал или кинетична енергия, колкото веднага след като е хвърлена или точно преди да се удари в повърхност.