Druga zasada dynamiki Newtona

Jakim ruchem będzie poruszało się ciało pod wpływem zewnętrznej siły niezrównoważonej?

Działanie niezrównoważonej siły na ciało powoduje zmianę jego prędkości, czyli nadanie mu określonego przyspieszenia. Przyspieszenie to może być stałe, a tym samym ruch ciała – jednostajnie przyspieszony.

• tor powietrzny z wózkiem o masie $1 \mathrm{kg}$;

• bloczek;

• ciężarek o masie pięciu gramów ($m=5 \mathrm{g}$);

• wytrzymała nić;

• chromatograf (jeżeli znajduje się w zestawie z torem powietrznym); możesz również użyć taśmy papierowej ciągniętej przez wózek i zamocowanej w jednym miejscu strzykawki z zabarwionym płynem. Możesz także przymocować strzykawkę z takim płynem do jadącego wózka, a taśmę papierową położyć na stole tak, aby spadające krople trafiały na nią.

1. Wypoziomuj tor powietrzny.

2. Zamocuj bloczek.

3. Umieść wózek wraz z przymocowaną do niego nicią w najbardziej oddalonym punkcie toru powietrznego.

4. Zawieś na drugim końcu nici (za bloczkiem) pięciogramowy ciężarek.

5. Przymocuj taśmę chromatografu do drugiego końca wózka (albo wykorzystaj taśmę papierową w sposób opisany wyżej).

6. Pozwól opadać ciężarkowi.

7. Wyniki zapisz w tabeli XLSX lub LIBRE, które możesz pobrać z poniższych załączników.

Skorzystaj ze wzorów:

Przyjmij, że chromatograf odmierzał czas co $0,1 \mathrm{s}$ i zmierz kolejne odcinki drogi przebytej przez ciało. Oblicz średnią wartość prędkości wózka w poszczególnych przedziałach czasu, korzystając z zależności $v_{\mathrm{śr}}= \frac{s}{∆t}$. Następnie oblicz wartości zmiany prędkości na drugim odcinku w stosunku do pierwszego, potem na trzecim w stosunku do drugiego i tak dalej. Możesz dalej sprawdzić, czy i jak zmienia się stosunek zmiany wartości prędkości wózka do czasu, w którym ta zmiana nastąpiła.

Wyniki doświadczeń wskazują, że wartość średniej prędkości rośnie, a w granicach niepewności wyniku stosunek zmiany prędkości poruszającego się ciała do czasu, w którym ta zmiana nastąpiła, jest stały. Wynika z tego, że działanie na ciało stałej, niezrównoważonej siły zewnętrznej powoduje ruch ciała ze stałym przyspieszeniem, czyli porusza się ono ruchem jednostajnie przyspieszonym.

Jeśli kierunki i zwroty wektorów niezrównoważonej siły zewnętrznej i prędkości poruszającego się ciała są zgodne i działająca siła wzrośnie, to czy wzrośnie również przyspieszenie ciała?

Wzrost wartości siły zewnętrznej działającej na ciało o stałej masie pociąga za sobą proporcjonalny wzrost jego przyspieszenia.

• tor powietrzny z wózkiem o masie $1 \mathrm{kg}$;

• nakładka o masie $0,25 \mathrm{kg}$;

• bloczek;

• pięć ciężarków, każdy o masie $5 \mathrm{g}$;

• wytrzymała nić.

1. Wypoziomuj tor powietrzny.

2. Zamocuj bloczek.

3. Umieść wózek z wraz z przymocowaną do niego nicią w najbardziej oddalonym punkcie toru powietrznego.

4. Na wózek nałóż nakładkę.

5. Na nakładce ustaw cztery ciężarki o masie $5 \mathrm{g}$.

6. Zawieś na drugim końcu nici (za bloczkiem) pięciogramowy ciężarek.

7. Pozwól opadać ciężarkowi, mierząc na określonej drodze czas ruchu wózka.

8. Powtórz kilkakrotnie doświadczenie. Za każdym razem zabierz z nakładki wózka ciężarek i przyczep go do ciężarków (ciężarka) uprzednio umieszczonych na końcu nici, tak aby masa układu nie zmieniała się, a działająca na wózek siła wzrastała.

9. Wyniki zapisz w tabeli XLSX lub LIBRE, które możesz pobrać z poniższych załączników. Na podstawie tabeli pomiarów sporządź wykres zależności $a\left(F\right)$.

Korzystamy tutaj z przekształconego wzoru na przyspieszenie w ruchu jednostajnym prostoliniowym z zerową prędkością początkową: $s=\frac{a{t}^2}{2}\Rightarrow a=\frac{2s}{t^2}$.

Przykładowe opracowanie wyników doświadczeniaazurewhite

Przykładowe opracowanie wyników doświadczenia

$F_0$ - ciężar jednego obciążnika.

Siła $F \left[\mathrm{N}\right]$	Czas $t \left[\mathrm{s}\right]$	Przyspieszenie $a=\frac{2 s}{t^2} \left[\frac{\mathrm{m}}{{\mathrm{s}}^2}\right]$
$F_0=0,5 \text{N}$	$2,45$	$0,33$
$2F_0=1 \text{N}$	$1,73$	$0,66$
$3F_0=1,5 \text{N}$	$1,41$	$1,00$
$4F_0=2 \text{N}$	$1,22$	$1,34$
$5F_0=2,5 \text{N}$	$1,10$	$1,65$

ReIrae78Kv83b

Wykres z naniesionymi danymi z tabeli. Na osi poziomej odłożona siła w niutonach, od zera do dwóch i pół, co pół niutona. Na osi pionowej odłożone przyspieszenie w metrach na sekundę podniesioną do kwadratu, od zera do dwóch, co pół metra na sekundę kwadratową. Przez punkty pomiarowe poprowadzona została prosta.

Gdy wartość niezrównoważonej siły zewnętrznej (wypadkowej sił działających) rośnie, to rośnie również przyspieszenie ciała, na które ona działa. Z wykresu zależności $a\left(F\right)$ wyraźnie widać, że uzyskiwane przyspieszenie jest wprost proporcjonalne do przyłożonej siły.

Czy przyspieszenie które uzyskuje ciało pod wpływem działającej stałej i niezrównoważonej siły zewnętrznej, zależy od masy ciała?

Tak, jest ono tym mniejsze, im większa jest masa ciała, na które działa siła.

• tor powietrzny;

• wózek o masie $1 \mathrm{kg} \left(m_0=1 \mathrm{kg}\right)$;

• nakładka na wózek (dla odważników) o masie $m_{\mathrm{n}}=0,25 \mathrm{kg}$;

• cztery odważniki o masie $0,25 \mathrm{kg}$ każdy $\left(m_{\mathrm{n}}=0,25 \mathrm{kg}\right)$;

• wytrzymała nić;

• obciążnik o masie $10 \mathrm{g}$;

• bloczek;

• stoper.

1. Zamocuj bloczek.

2. Umieść wózek z nakładką wraz z przymocowaną do niego nicią w najbardziej oddalonym punkcie toru powietrznego, tak aby w czasie działania dmuchawy, nakładka nie przemieszczała się.

3. Zawieś na drugim końcu nici (za bloczkiem) dziesięciogramowy ciężarek.

4. Dokonaj pomiaru czasu ruchu wózka na określonej drodze podczas opadania ciężarka.

5. Wynik pomiaru powtórz kilkakrotnie, za każdym razem zwiększając masę wózka za pomocą dodatkowych odważników.

6. Dane zapisz w tabeli XLSX lub LIBRE, które możesz pobrać z poniższych załączników.

Wyniki doświadczenia wskazują, że przyspieszenie ciała uzyskiwane pod wpływem stałej niezrównoważonej siły (siły wypadkowej) zależy od masy ciała. Im jest ona większa, tym mniejsza wartość przyspieszenia.