Колыбель Ньютона, исследовательская работа

Муниципальная научно – практическая конференция

« Фундаментальные и прикладные исследования в области естественно – математических наук»

Колыбель Ньютона

(направление физика)

Автор: Алферьева Ксения

МБОУ СОШ № 10 г. Апатиты, 9Б класс

Научный руководитель:

Титовская Светлана Николаевна

учитель, МБОУ СОШ № 10

Апатиты

2018

Содержание

1. Введение
2. Теоретическая часть

2.1. Маятники. Виды маятников.

2.2. История открытия маятника Ньютона

2.3. Принцип работы маятника Ньютона.

2.4. Применение маятника Ньютона.

3. Практическая часть

1. Изготовление маятника
2. Анализ результатов эксперимента

4. Заключение
5. Список литературы
6. Приложения

Слайд 1

Введение.

Очень часто дети думают, что физика – какая-то академическая наука, ученые ставят эксперименты в лабораториях, теоретики пишут теории, не выходя из кабинета. Может быть, так оно и есть. Но, все же, то, о чем они пишут теории и ставят эксперименты, происходит рядом с нами, да и в нас самих. Именно это нам пытаются донести  на уроках.  Физика – наука экспериментальная. Сейчас существует много способов заинтересовать учащихся изучать эту сложную и важную для жизни каждого человека науку: обучающие интернет сайты, научно - популярная литература и даже интерактивные музеи. Но именно на уроке физики, я узнала о законе сохранения импульса и энергии, о  различных маятниках и решила попробовать сделать один из них своими руками.

(Слайд 2) Цель работы: конструирование прибора – модели  маятника Ньютона.

Задачи:

1. Проанализировать литературу по рассматриваемому вопросу.
2. Продумать конструкцию маятника с наименьшими затратами и хорошим эстетическим видом.
3. Изготовить и привести в действие прибор - маятник Ньютона.
4. Узнать практическое применение «Колыбели Ньютона».

Гипотеза: Сконструированный маятник Ньютона продемонстрирует законы взаимосвязи механической энергии и импульса.

Актуальность выбранной темы обусловлена значением изучения законов сохранения энергии, они доказывают взаимосвязь явлений природы. Такие понятия, как «импульс», «работа», «энергия» в последующем необходимы для изучения многих физических  разделов. При изучении данной темы развиваются такие умения, как наблюдать, ставить эксперимент, конструировать, анализировать.

2. Теоретическая часть.

2.1.Маятники. Виды маятников.

(Слайд 3) 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. 

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.

(Слайд 4) Маятник Фуко — это груз, подвешенный на нити, способный изменять плоскость своих колебаний.

(Слайд 5) 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.

( Слайд 6) 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.

2.2. История открытия маятника Ньютона.

(Слайд 7) Великий учёный Исаак Ньютон изобрел наглядную демонстрацию преобразования энергии - маятник или как ее еще называют - колыбель. Это устройство представляет собой конструкцию из пяти 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, а также физик Аббе Мэрайотт, он изучал закон воздействия тел друг на друга.   

Есть много разногласий, как же все-таки появилась современная колыбель Ньютона. К примеру, Мариуса Морина считают учёным, который первым сконструировал и дал название популярной сегодня конструкции. Он сделал для своей компании деревянную версию маятника. Сувениры - шары  были успешно проданы и положили начало рынку таких игрушек.

Продавать изобретение Исаака Ньютона в 1967 году предложил Саймон Преббл, актер из Англии. Именно он и дал название прибору - "колыбель Ньютона". С тех пор маятник стал популярным сувениром и прекрасной деталью в интерьере. 

(Слайд 8) Истории известен случай, когда сделали очень большое устройство маятника из 501 тонны бетона и листовой стали. Но это устройство колыбели за счет массивности имело погрешности в действии. Версия меньшего масштаба состояла из пяти 6-дюймовых хромовых шариков-подшипников стали, каждый из которых весил 33 фунта. Эта модель была практически такая же эффективная как настольная версия. В Соединённых Штатах Америки в Мичигане установили самую большую модель колыбели Ньютона. Она состоит из 16 шаров для боулинга, которые весят 6.8 кг каждый. Они крепятся на прочных тросах длиной 6.1 метра и возвышены на 1 метр над землей.  (приложение 1)

Устройство колыбели с самыми большими шарами столкновения диаметра на общественном дисплее, демонстрировалось больше года в Милуоки, Висконсин в американской Науке розничного магазина и Излишке. Каждый шар был надувным шаром осуществления 26 дюймов в диаметре (приложенный в клетке стальных колец) и был поддержан от потолка, используя чрезвычайно сильные магниты. Это было демонтировано в начале августа 2010 из-за проблем обслуживания.

2.3. Принцип работы маятника Ньютона

(Слайд 9) 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.  

2.4. Применение маятника

(Слайд 10) 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. 

Колыбель Ньютона как средство против раковых опухолей

(Слайд 11) Исследователи из Калифорнийского технологического института (Cal Tech), используя модифицированный принцип колыбели Ньютона, добились эффекта концентрации и усиления звуковых волн, наделяя их, таким образом, чрезвычайной разрушительной силой. Используя в качестве основы акустическую линзу из метаматериалов, ученые расположили в ряд 21 металлический шарик. Звуковая волна, возникшая в результате удара по последнему шарику, двигаясь, постоянно усиливалась звуковой линзой и складывалась с новыми звуковыми волнами, возникшими от ударов шариков друг об друга, усиливаясь еще больше. Но, в отличие от колыбели Ньютона, кинетическая энергия последнего шарика и созданная суммарная звуковая волна воздействовали на препятствие, изготовленного из метаматериала акустической линзы, с помощью которой вся энергия на выходе фокусировалась в очень маленьком объеме, создавая в нем звук невероятной мощности.

Поскольку "звуковые" пули, в отличие от обычных пуль, могут практически беспрепятственно проходить через воздух, воду и землю, их разрушительную энергию можно использовать для нанесения повреждений подводным лодкам, находящимся в погруженном состоянии, и для разрушения подземных укрытий. Но, с более мирной точки зрения, такая технология, в меньшем масштабе, может быть использована в медицинской области для "звуковой" рентгенографии. Так же "звуковые" пули могут быть использованы для разрушения клеток раковых опухолей, что позволит обойтись в некоторых случаях без хирургического вмешательства.

3. Практическая часть

(Слайд 12) 3.1. Изготовление маятника

Проанализировав литературу, я выделила требования при конструировании, изготовлении и применении самодельного прибора:

• четко представлять его назначение  и применение;

• заранее рассчитать его отдельные элементы, сделать необходимые схемы, чертежи;
• хорошо представлять принцип действия прибора;
• уяснить, на использовании каких законов основана его работа;
• от каких факторов зависит эффективность его демонстрации.

Для изготовления маятника Ньютона мне понадобилось: (приложение 2)

1. металлические бусинки (4 штук)
2. провод стальной (4 штук по 4 см)
3. клей «Момент»
4. линейка деревянная
5. картон

Ход работы:

1. Выбрать подставку для маятника
2. Рассчитать диаметр одного шарика.

Для того, чтобы шарики касались друг друга, необходимо вычислить их диаметр. Для расчета можно воспользоваться способом рядов:

3. На линейке сделать метки, соответствующие размеру одного шарика
4. Прикрепить бусинки к стальной проволоке с помощью плоскогубцев и клея
5. Закрепить стальную проволоку  и отрегулировать длину так, чтобы шарики касались друг друга.
6. Провести эксперимент.

2.  Анализ результатов эксперимента

В ходе конструированиямодели маятника и демонстрации эксперимента возник ряд трудностей:

1. Из стальной проволоки тяжело было сделать абсолютно круглое отверстие, для закрепления на конструкции.
2. Опора для маятника должна быть жесткой, даже маленькие шарики приводят к ее деформации, неустойчивости.
3. Колебания резко затухают, так как сложно выставить шарики в одну линию.

Несмотря на трудности, маятник Ньютона продемонстрировал передачу импульса и энергии от одного крайнего шарика к другому.

4. Заключение

Наблюдать за опытами, которые проводит учитель интересно, но проводить их самой интересно вдвойне, тем более, если сконструировала и сделала прибор своими руками.

В ходе данной работы я познакомилась с новыми физическими понятиями и величинами, такими как энергия, импульс и др. Убедилась, что способы, изученные на уроках физики, например способ измерения размеров малых тел ( способ рядов), может понадобиться для вычисления не только физических задач.

Маятник Ньютона, сконструированный мной, имеет некоторые технические недостатки и не смог длительное время совершать колебания, но выводы, сделанные в ходе эксперимента, могут позволить их исправить или минимизировать.

Данный маятник можно демонстрировать на уроках физики при изучении таких физических разделов, как «Механические колебания», «Законы сохранения в механике».

(Слайд 13)

Интернет ресурсы:

• https://ru.wikipedia.org/

• https://img.gazeta.ru/files3/882/3347882/soundbullm.jpg
• http://vitanar.narod.ru/revolucio/revolucio4/revolucio4.htm

(Слайд 14)  «Спасибо за внимание»

Приложение 1

Самая большая модель «колыбели Ньютона».