Forgó tudomány: A lendület megőrzése egy forgó székben

Megtudhatja, hogyan gyorsulnak fel a műkorcsolyázók egy pörgetés során ezzel a szédítő tevékenységgel

"data-newsletterpromo_article-image =" https://static.scientificamerican.com/sciam/cache/file/CF54EB21-65FD-4978-9EEF80245C772996_source.jpg "data-newsletterpromo_article-button-text =" Regisztráció "data-newsletterpromo button-link = "https://www.scientificamerican.com/page/newsletter-sign-up/?origincode=2018_sciam_ArticlePromo_NewsletterSignUp" name = "articleBody" itemprop = "ArticleBody">

Kulcsfogalmak
Lendület
Tehetetlenség
Gyorsulás

Bevezetés
Gondolkodott már azon, hogy a műkorcsolyázók miért képesek olyan gyorsan pörögni, mint egy csúcs? Sok esetben képesek növelni sebességüket anélkül, hogy bármit is elrugaszkodnának, pusztán azzal, hogy belerúgnak a karjukba, hogy bármilyen további erőt adjanak a pörgetéshez. Mi történik? Hogy megtudjuk, utánozzuk ugyanazt az alaptechnikát, amelyet a műkorcsolyázók használnak, és megismerhetünk néhány egyszerű alapelvet a klasszikus mechanikától, hogy a működés végére érjünk. Ne aggódjon - nincs szükség különösebb koordinációra vagy képességekre! Csak egy masszív, forgatható székre és egy pár könnyű súlyzóra vagy nehéz könyvre lesz szüksége.

Háttér
Bármely fizikai tárgy ellenáll a mozgásának változásának, beleértve az irányváltást is. Isaac Newton ezt a viselkedést írta le első mozgástörvényében: Az objektum hajlamos vagy mozdulatlanul ülni, vagy állandó sebességgel egyenes vonalban mozogni, hacsak külső erő nem hat rá. Ezt a mozgásváltozással szembeni ellenállási hajlandóságot tehetetlenségnek nevezzük, és a nehezebb (tömegesebb) tárgyak jobban ellenállnak a mozgás változásainak, mert minél nagyobb egy tárgy tömege, annál nagyobb a tehetetlensége.

Gondolj így: Mi a nehezebb, ha megállsz a nyomában - egy vonat 20 mérföld/órás sebességgel vagy a márvány 20 mérföld/órás sebességgel? A márványt viszonylag könnyen meg lehet ragadni, de a tehetetlenség működése miatt, ha megpróbálna megragadni egy mozgó vonatot, az a vonat csak magával ragadna. Ezt a vonatot nehezebb megállítani, mert kolosszálisan nagyobb lendület mint a márvány, pedig ugyanolyan sebességgel haladnak. Ez azért van, mert a lendület mindkét sebességtől függ és tömeg (tehetetlenség). Tartsa ezt szem előtt, miközben a következő kísérletet végzi, és ne feledje, hogy a lendület nem csak eltűnik - valahova el kell mennie!

Anyagok
Forgó szék (Iroda, íróasztal vagy bármely más, szabadon forgó forgószék megteszi.)
Pár könnyű súlyzó vagy nehéz könyv

Készítmény
Állítsa be forgatható székét a szoba közepére. (Győződjön meg róla, hogy elegendő helye van kinyújtott karokkal forogni, anélkül, hogy bármilyen tárgyba ütközne vagy megsértené magát!)
Ezt a kísérletet a legjobban szőnyegpadlón lehet elvégezni. Próbáld elkerülni, hogy keményfa padlón végezzük, mivel célunk az, hogy a szék görgő kerekei állva maradjanak - a szék egyetlen elfordítható része a középső oszlop.

Eljárás
Fogd meg a súlyzókat vagy a nehéz könyveket.
Üljön le a székre, mint általában.
Tartsa mindkét kezében egy súlyzót vagy könyvet, kinyújtott karokkal.
Kezdje el a pörgést abban az irányban, amiben kényelmesebbé válik, azzal, hogy felrúgja a földet. Lehet, hogy többször kell elindulnia. Próbáld meg gyorsan (de biztonságosan) forogni, miközben kinyújtott karokat tartasz.
Miután szabadon forogsz, húzd be a könyveidet vagy a súlyzókat a mellkasod felé. Mi történik a forgás sebességével? Miért gondolod ezt?
Nyújtsa ki karjait kifelé. Mi történik ezúttal a forgás sebességével? Miért?

Megfigyelések és eredmények
Amikor behúzza a súlyát, gyorsabban kellett volna forognia. De az összes mozgó alkatrész teljes lendülete állandó maradt. Még zavart? Annak megértése érdekében, hogy ennek miért van értelme, gyorsan felül kell vizsgálnunk a lendületet, és meg kell vizsgálnunk, mit változtattunk a pörgetés során.

Amikor elkezdte a pörgést, az egész rendszert - a széket, a testet és a súlyokat - egy adott lendület elérésére késztette. Kezdjük azzal, hogy megnézzük a súlyokat. Mint a világegyetem minden tömeges mozgó cucca, a súlyoknak is lendületük van, ami arra készteti őket, hogy folytassák az egyenes vonalon való mozgást. Csak ezt tennék, ha nem a karjaid által kifejtett feszültség vonzza őket körkörös úton. Ezért úgy gondolhatunk a súlyokra, hogy ugyanazon a körúton szeretnénk folytatni az utazást állandó sebességgel. Hipotetikus szempontból a végtelenségig így tudnának utazni, ha nem lett volna légellenállás és a szék forgóoszlopa által létrehozott súrlódás.

Ezután behúzta a súlyokat a törzs felé. Van-e értelme a súlyok lelassulásának, hogy megfeleljen a test forgási sebességének? Dehogy! Ne feledje - a viszonylag nagy súlyok lendületet kaptak a pörgés elején, amikor azt állította, hogy az irodai szék körül azon a nagy, kör alakú úton haladjon. Karjait a törzse felé húzva olyan helyre mozgatta a súlyokat, ahol ugyanazzal a lendülettel kénytelenek voltak haladni egy sokkal rövidebb körúton. Akadálymentesen itt sokkal gyorsabban teljes körű forgást végeznek a szék körül. (Valójában, mivel a súly forgási tehetetlensége arányos a kar hosszának négyzetével, a kar tényleges hosszának felére csökkentésével négyszeresére kell növelnie a súly forgási sebességét!) De itt van a fogás - mert a súlyok valójában a karodnál vannak a törzsedhez rögzítve, és végül a testet "magukkal húzzák", és gyorsabban forogsz a székben .

A tested természetesen nem gyorsul fel úgy, hogy teljesen megfeleljen a súlyok új sebességének - a tested tehetetlensége bizonyos mértékig ellenáll ennek -, de a lényeg az, hogy e súlyok lendületének valahova el kell mennie. A tested nyomatékot nyer, míg a súlyzók veszítenek -, de az egész rendszer lendülete (a szék tetején) ugyanaz marad. Éppen ezért gyakran emlegetjük ezt a jelenséget a szögimpulzus megőrzése. Ez fordítva is működik - amikor újra kinyújtja a karját, lelassul. Ez teszi lehetővé a korcsolyázók számára, hogy simán kijöjjenek a pörgetésből!