Физика

Каква е физиката зад подскачащите топки?

Каква е физиката зад подскачащите топки?

Всички можем да погледнем назад към детските си спомени и да намерим под някаква форма или мода подскачаща топка. Независимо дали става въпрос за стрелба с обръчи с приятели или хвърляне на тенис топка до стената, докато бяхме на земята, всички сме играли с тези подскачащи играчки.

Докато за повечето хора топките са доста непретенциозни обекти, те всъщност служат като интересен трамплин за изучаване на много интересни физични явления. Ускорение, скорост, енергия; можете да научите всичко, когато започнете да разглеждате физиката зад подскачащите топки.

При всяко отскачане на топката има по същество седем етапа, в които действието може да бъде разбито по време на движението му, преди, по време и след изследване на удара.

Нека разбием физиката на подскачащите топки.

За начало ще разгледаме опростените седем етапа на отскачане на топка, пренебрегвайки всяка външна сила, различна от гравитацията. Ще разделим всяка стъпка в детайли по-долу с уравнения, но ако имате нужда от по-задълбочена визуализация, видеото по-долу ще разбие и това.

Етап 1: Падане

Първият етап е измолването на всяко отскачане на топката, при което потенциалната енергия от височината на топката се преобразува в кинетична енергия чрез ускорение поради гравитацията. В опростен случай топката пада в една линия със силата на гравитацията, която винаги сочи директно надолу. На земята това ускорение поради гравитацията е 9,8 m / s(g = 9,8 m / s2). Това означава по същество, че за всяка секунда за падане скоростта на топката ще се ускори с 9,8 m / s.

Етап 2: Първоначален контакт

Първоначалната фаза на контакт е точно това; когато топката едва се докосва до повърхността на земята. 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, дължаща се на гравитацията. Етап 3: Забавяне / отрицателно ускорение.

След първоначалния удар топката бързо се забавя или по-скоро ускорява в отрицателна посока. Скоростта на топката все още сочи надолу, докато се деформира, но ускорението върху топката започва да сочи нагоре, когато силите от реакцията преодолеят гравитацията. Всичко това означава, че топката се бута на земята със сила, по-голяма от собственото си тегло, така че ускорението трябва да сочи нагоре.

Етап 4: Максимална деформация

След етапа на забавяне топката е достигнала максимална деформация. В този момент скоростта е нула и векторът на ускорението сочи нагоре. Това е най-ниската точка на топката, както и нейната максимална деформирана точка. Ако приемем, че топката е напълно еластична и игнорираме други енергийни загуби като звук и топлина, тогава топката ще отскочи обратно до първоначалната си височина на падане след тази точка.

Етап 5: Първоначален отскок

Този етап започва пътуването на топката обратно там, където е започнало. Неговите вектори на скорост и ускорение сочат една и съща посока, което означава движение нагоре. Топката е по-малко деформирана от етапа на максимална деформация и поради своята еластичност сега тя се притиска към повърхността със сила, по-голяма от собственото си тегло. Това е, което ще накара топката да отскочи нагоре.

Етап 6: Отскок на нулев контакт

При нулев отскок на 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 се противопостави на вектора на скоростта.

СВЪРЗАНИ: 9 ОБЕКТИ, ИЗМИСЛЕНИ ДА ИЗПЪРНАТ ФИЗИКА

Това е така, защото вече няма никаква сила от еластичността на топката, бутаща се върху повърхността, което й дава ускорение нагоре. Ускорението поради гравитацията, което дърпа надолу, сега ще бъде единствената сила, действаща върху топката в перфектна система.

Етап 7: Пълен отскок

При пълен рикошет топката е напуснала повърхността и нейният вектор на скоростта все още сочи нагоре, макар и да се свива постоянно поради ускорението или забавянето поради гравитацията. След тази стъпка топката достига връх в нова стъпка, при която нейният вектор на скоростта е нула, а единствената сила, действаща върху нея, е гравитацията.

Добавени променливи и специални случаи във физиката на подскачащите топки

Случаят с подскачащата топка по-горе беше опростен, за да се премахнат всякакви други сили като въздушно съпротивление, несъвършена еластичност, завъртане, триене и силата, наред с други. Всичко това означава, че отскачащата физика на топката от тук се усложнява.

Когато топките имат каквото и да е завъртане, както обикновено при хвърляне, и когато повърхността, която ударят, не е без триене, завъртането на топката се обръща от преди до след удар. Това се дължи на силата на триене. Ако приемем 2-измерения заради теорията, можете да наблюдавате реакцията по-долу.

Тъй като топката въздейства 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 приплъзване между въртящата се топка и повърхността. Тъй като силата на триене е противоположна на въртенето на топката, тя върти топката в другата посока. Той също така кара пътя на отскока на топката да се изкриви по посока на силата на триене. С опростени термини, когато топката се върти в една посока, когато се удари в стена, триенето между топката и стената преодолява въртенето толкова много, че обръща посоката си на въртене.

Това завъртане на въртенето не се случва, ако коефициентът на триене на топката и 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 неидеални сценарии в реалния живот подскачащите топки губят енергия и в крайна сметка спират. Всичко това се дължи на силите, които пренебрегнахме в първия пример. Когато топката се удари в стена или повърхност, тя издава шум, което е загуба на енергия от отскока на топката. Той също така ще генерира известно количество топлина, друга загуба на енергия. Триенето от стената ще доведе до загуба на енергия, както и въздушно съпротивление, докато топката пътува. По същество топката никога няма да има толкова потенциал или кинетична енергия, колкото е имала от веднага след като е била хвърлена или точно преди да се удари на повърхността, в зависимост от сценария.


Гледай видеото: Изчезнала ли е тъмната енергия? Пространство-времето. PBS Digital Studios (Юни 2021).