Spinning Science: Centripetal Force Bruke Marbles i Jell-O


Nøkkelkonsepter fysikk Krefter Bevegelse Sentrifugalkraft Sirkulær bevegelse Akselerasjon Introduksjon Har du noen gang lurt på hva som holder deg i setet ditt når du kjører en gigantisk løype? Overraskende er det ikke bare sikkerhetsbelte! Du blir holdt i setet ditt på grunn av noe som kalles centripetal kraft. Sentr

Nøkkelkonsepter
fysikk
Krefter
Bevegelse
Sentrifugalkraft
Sirkulær bevegelse
Akselerasjon
Introduksjon
Har du noen gang lurt på hva som holder deg i setet ditt når du kjører en gigantisk løype? Overraskende er det ikke bare sikkerhetsbelte! Du blir holdt i setet ditt på grunn av noe som kalles centripetal kraft. Sentripetalkraft gjør det faktisk mye mer enn å gjøre en tur på en bergbanerens løkke mulig - det holder satellitter i bane og deg på sykkelen når du tar en sving!
I denne aktiviteten vil du bruke marmor og Jell-O for å undersøke sentripetalkraft og sirkulær bevegelse. Hvilken vei vil marmorene gå?
Bakgrunn
Isaac Newton, en forsiktig observatør av naturen, brukte matematikk og vitenskap til å beskrive naturfenomener som ikke ble forstått på den tiden. Newtons bevegelseslover brukes fremdeles i dag, og disse prinsippene finnes i nesten hvilken som helst bevegelig teknologi. Newton oppdaget at for et objekt å bevege seg, må det håndteres av en kraft som gjør at den beveger seg i en bestemt retning. Objektet som er i gang, fortsetter denne bevegelsen til den møter motsatt kraft. Du har følt dette fenomenet når du kjører i en bil. Når bilen begynner å flytte, rocker du bakover, fordi kroppen din ønsker å holde seg i sin stillestående posisjon. Når du er i bevegelse, hvis bilen plutselig stopper, vil du rocke fremover fordi kroppen din ønsker å fortsette å bevege seg i samme hastighet og retning.
Newton innså at når et objekt beveger seg (eller akselererer) i en sirkel, vil objektet bevege seg utover, vekk fra sirkelens senter. For eksempel når du kjører i en bil, og det gjør en sving, beveger kroppen din seg til utsiden av svingen, vekk fra svingets retning. Kraften som gjør at du følger en sirkulær bane, selv om kroppen din ønsker å bevege seg bort fra svinget, kalles sentripetalkraft.
materialer
• Transparent plastikk kopper, minst fire
• Saks eller enhulls puncher
• Duct tape eller elektrisk tape
• String
•Kjele
•Desilitermål
•Komfyr
• Jell-O, to pakker, hver med en annen farge
•Kjøleskap
• Marmor, minst tre
• Et åpent område utenfor
•Lommelykt
Forberedelse
• Bruk en saks eller en-hulls puncher til å lage et lite hull omtrent 2, 5 cm fra toppen av en av plastkoppene. Lag et andre hull på motsatt side av koppen.
• Sett et lite stykke duktape eller elektrisk tape på kanten av koppen, rett over hvert hull. Brett over båndet slik at det er på utsiden og innsiden av koppen, men ikke blokkering av hullene. Dette vil bidra til å forhindre at strengen løsnes.
• Fest strenget til koppen, bind den ene enden av strengen gjennom et av hullene på koppens topp og den andre enden til det andre hullet.
• Denne koppen vil være din sentripetale kraftgenerator. Test for å sikre at strengen er sterkt festet til koppen ved å holde på strengen og trekke ned på koppen.
• Be en voksen til å hjelpe deg med å lage Jell-O. Vær forsiktig når du arbeider med kokende vann. Vær også forsiktig så du ikke lar Jell-O-spill og flekker noe.
Fremgangsmåte
• Lag en av pakkene med Jell-O ved å oppløse den i riktig mengde vann i henhold til anvisningene på pakken.
• Hell Jell-O i de tre andre plastkoppene, og fyll hver kopp halvveis full.
• Plasser disse koppene i kjøleskapet og kjøl ned til Jell-O er helt innstilt, omtrent to til tre timer.
• Når Jell-O er satt, plasser i hver kopp en marmor på overflaten av Jell-O i midten av koppen. Trykk forsiktig det inn i Jell-O bare til marmor er trygt og ikke beveger seg rundt. Hvorfor tror du det er viktig at Jell-O er fast nok til å støtte vekten av marmor?
• Gjør den andre batchen av Jell-O. Hvorfor tror du at den andre batchen skal ha en annen farge fra den første?
• Hell forsiktig den varme Jell-O i koppene, dekker det første laget av Jell-O og marmor til koppen er nesten full og forlater ca. 2, 5 centimeter på toppen av koppen.
• Sett koppene tilbake i kjøleskapet til blandingen er fullstendig innstilt, omtrent to til tre timer.
• Når Jell-O-koppene er satt, sett en av dem inn i centripetalkraftgeneratoren koppen (koppen med en streng som er bundet til den) ved å stable koppen med Jell-O inne i centripetal kraftgeneratorkoppen.
• Ta de stablede koppene på utsiden til et åpent område. (Hvis strengen på centripetalkraftgeneratorkoppen brøt ved et uhell, ville du ikke ønske å få Jell-O over gulvene, vegger og møbler!)
• Hold strengen og vri de stablede koppene rundt hodet ditt for 20 omdreininger, og telle hver gang koppene gjør en komplett sirkel. Hvis du skulle slippe koppene mens du spinner dem, i hvilken retning tror du de ville gå?
• Etter 20 omdreininger, må du slutte å spinne og fjerne den indre koppen fra den ytre koppen.
• Skinn lommelykt gjennom koppen med marmor. Kan du se marmor? Hvor er det? Hvordan har det flyttet?
Tips : Hvis du har problemer med å finne marmor, prøv å belysse marmoren ved å skinne lommelykten gjennom baksiden av koppen mot deg.
Tips: Hvis marmor ikke beveget seg, kan Jell-O være for fast. Prøv først å snurre rundt for 20 omdreininger igjen - men denne gangen spinner du det vanskeligere. Hvis marmor fortsatt ikke er flyttet, la koppene sitte ved romtemperatur over natten for å myke Jell-O eller gjenta denne aktiviteten, denne gangen bruker mer vann for å gjøre Jell-O.
• En om gangen, spinn de andre Jell-O-koppene i centripetal kraftgeneratorkoppen for 20 omdreininger. Ser du noen mønstre av bevegelse? Gikk marmorene alltid i samme retning? Bevegte de seg i retningen du trodde de ville? Hvor langt flyttet de?
Ekstra : En av Newtons andre lover sier at det er et forhold mellom bevegelsen av et objekt og dets masse. Prøv en lignende aktivitet med små gjenstander av forskjellige vekter for å se om dette har en effekt på mengden bevegelse et objekt gjør på grunn av sentripetalkraft. I stedet for marmor, prøv å lede fiskevekter, bønner, kvartaler, perler, etc. Oppdager du en forskjell i bevegelse mellom objekter av forskjellige vekter eller størrelser?
Ekstra: Hvor fort svingte du sentripetalkraftgeneratoren? Er det et forhold mellom hastighet og sirkulær bevegelse? Prøv å bruke en metronom for å styre rotasjonshastigheten din, og still inn metronomen ved raske og lave hastigheter. Beveg koppene forskjellig på høyere hastigheter enn de gjør ved lavere hastigheter?
· Ekstra : Det er mange måter å undersøke newtonske bevegelser på. Prøv å ta noen kopper med Jell-O og marmor med deg for noen eksperimenter på stedet. Hva skjer med marmor når du tar det på en sving, lysbilde, glede rundt, berg-og dalbane, biltur, sykkeltur eller hvor som helst du er nysgjerrig på å finne ut om?
Observasjoner og resultater
I hver kopp gikk marmor fra midten av koppen til bunnen?
Når et objekt beveger seg, eller akselererer, i en sirkel, vil objektet bevege seg bort fra sirkelens senter. Uten push av centripetal kraft, ville objektet bevege seg i en linje som flyr ut og bort fra sirkelens senter. Hvis du for eksempel hadde sluppet koppene når du spolde dem, ville de fly fra deg i en rett linje. Hver marmor i de spinnende koppene ønsket også å bevege seg bort fra deg, vekk fra sirkelens senter, og så hver marmor skulle ha reist gjennom Jell-O og endte på bunnen av koppen.
I denne aktiviteten tilføres sentripetalkraft som virker på systemet av spenningen i strengen. Denne styrken holdt koppene i bevegelse i en sirkulær bane. Dette er en "pull" -kraft, som ligner på hvordan satellitter holdes i bane på grunn av trekk av jordens tyngdekraft. En "push" centripetal kraft handlet på marmor: denne kraften, som ble levert av bunnen av koppen, holdt marmoren i en sirkulær bane og ikke flyr bort i en rett linje. En push centripetalkraft holder deg også i sitteplassen din på en løkke med en løpebane-løypa, og når du tar en tur på sykkelen din.
Rydde opp
Kast Jell-O i søppel når du er ferdig, etter å ha hentet marmorene dine!
Mer å utforske
Centripetal Force fra Georgia State University, Department of Physics and Astronomy
Newton, en Apple og deg fra Light-Science.com
Rollercoaster Science: Marbles, Tubes og Loops fra Science Buddies
Centripetal Force fra Science Buddies

Denne aktiviteten brakte til deg i samarbeid med Science Buddies