2.1.3.1 Brak grawitacji podczas spadku swobodnego

Brak grawitacji podczas spadku swobodnego
2.1.3.1
Doświadczenie, w szczególnie prosty sposób, wykaże, że podczas spadku swobodnego przedmioty
(względem siebie) nie ulegają przyspieszeniu. Dlatego spadek swobodny, jest wykorzystywany, do
symulacji stanu nieważkości w przestrzeni kosmicznej i na przykład ma zastosowane do szkolenia
astronautów, przed podróżą w kosmos. Znane przykłady tego typu symulacji to tzw. loty zero - g. Aby
wykonać doświadczenie zero - g, można wykorzystać, na przykład, wieżę spadków niemieckiego Centrum
Stosowanej Technologii Przestrzeni w Bremie (www.zarm.uni-bremen.de). Doświadczenie, pozwala
również, na wyznaczenie wartości przyspieszenia ziemskiego za pomocą wysokości i czasu spadania lub
zbadanie wpływu tarcia powietrza na spadek swobodny.

Materiał doświadczalny
1 Interfejs Cobra4 Wireless Manager
1 Interfejs Cobra4 Wireless-Link
1 Moduł pomiarowy Cobra4 Sensor-Unit “Przyspieszenie
3D”
1 Taśma miernicza, l=2m
1 Recepturka, 5 sztuk
1 Oprogramowanie “Measure” do Cobra4
12600.00
12601.00
12650.00
09936.00
02673.00
14550.61
Materiały dodatkowe
1 Komputer PC z portem USB, Windows XP lub nowszy
1 Duża poduszka, 80 cm x 80 cm
1 Mała poduszka, 40 cm x 40 cm
Rysunek 1: Zestaw doświadczalny
1
www.phywe.de, © Wszystkie prawa zastrzeżone
P1500160
2.1.3.1
Brak grawitacji podczas spadku swobodnego
Informacje o przygotowaniu doświadczenia i sposobie postępowania
-
Aby zapobiec uszkodzeniu modułu pomiarowego, powinien on zostać zawinięty w materiał tłumiący
(małą poduszkę) (przed zawinięciem, włącz interfejs Wireless-Link z podłączonym modułem
pomiarowym).
-
Innym ważnym amortyzatorem jest duża poduszka, która powinna znajdować się w punkcie uderzenia
modułu pomiarowego.
-
Dla dokładniejszego wyznaczania przyspieszenia grawitacyjnego
doświadczenie kilka razy (można również pomiar wykonać jeden raz).
(ziemskiego),
powtórz
Przygotowanie doświadczenia
-
Zestaw pomiarowy, przedstawiony jest na Rysunku 1.
-
Aby zapobiec uszkodzeniu modułu pomiarowego, zawiń go w małej poduszce za pomocą recepturek.
Sposób postępowania
-
Uruchom komputer oraz Windows.
-
Podłącz interfejs „Cobra4 Wireless Manager” do gniazda USB w komputerze.
-
Włącz interfejs „Cobra4 Wireless – Link” z dołączonym modułem pomiarowym przyspieszenia „Cobra4
Sensor – 3D Przyspieszenie”. Moduł zostanie automatycznie rozpoznany i uzyska numer ID (01), który
zostanie wyświetlony przez „Cobra4 Wireless – Link”. Komunikacja między interfejsem „Cobra4
Wireless Manager” i zewnętrznym interfejsem „Cobra4 Wireless – Link” zostanie zasygnalizowana
przez świecącą diodę Data.
-
Uruchom w komputerze pakiet oprogramowania pomiarowego.
-
Wczytaj doświadczenie „Brak grawitacji podczas spadku swobodnego” (P1500160). System
automatycznie wczyta wszystkie ustawienia, konieczne do wykonania pomiarów. W rezultacie
uzyskasz następujące przyspieszenie:
a  a x2  a y2  a z2
Ze współrzędnymi przyspieszenia ax, ay, oraz az automatycznie przedstawionymi na trzech osiach
(Rysunek 2). Poza tym, dla porównania, do programu głównego zostaną wczytane przykładowe dane.
-
Podnieś moduł pomiarowy na określoną wysokość h (taśma miernicza, tu 100 cm między dolną
powierzchnią małej poduszki i górną powierzchnią dużej poduszki).
-
Rozpocznij pomiar w programie „Measure”  (Rysunek 2).
-
Upuść moduł na znajdującą się na podłodze poduszkę. Jeżeli zajdzie potrzeba, podnieś go ponownie
na określoną wysokość i upuść (tu: 135 cm i 170 cm).
-
Zatrzymaj pomiar  i w celu wykonania dalszej analizy, przenieś zmierzone wartości do programu
głównego.
Wyniki i ich analiza
-
Rysunek 3 przedstawia wynik pomiaru wartości przyspieszenia w funkcji czasu. Wyraźnie widać, że
gdy tylko moduł swobodnie spada, przyspieszenie całkowicie znika. To znaczy, że w układzie
odniesienia modułu g równe jest 0.
-
Podczas uderzenia w poduszkę, moduł pomiarowy gwałtownie zwalnia, co widzimy, jako nagły wzrost
wewnętrznego przyspieszenia - powyżej 10 g. Jednak, ponieważ współczynnik próbkowania jest zbyt
mały, a droga, na której zachodzi opóźnienie - zbyt krótka, krzywa pomiarowa nie dostarcza
2
P1500160
www.phywe.de, © Wszystkie prawa zastrzeżone
Brak grawitacji podczas spadku swobodnego
2.1.3.1
Rysunek 2: Pomiary
wszystkich informacji dotyczących momentu uderzenia. Kolejny spadek przyspieszenia, zaraz po
uderzeniu, wskazuje, że przedmiot jeszcze przez chwilę staje się nieważki. Jest to spowodowane
częściową sprężystością zderzenia, ta część krzywej odpowiada rzutowi pionowemu w górę.
3
www.phywe.de, © Wszystkie prawa zastrzeżone
P1500160
2.1.3.1
Brak grawitacji podczas spadku swobodnego
-
Jeżeli dokładniej przyjrzymy się krzywej pomiarowej z (pierwszego) upadku (Rysunek 4), zobaczymy,
że przyspieszenie wzrasta nieznacznie od rozpoczęcia spadku, do jego zakończenia. Można to
wyjaśnić oporem powietrza, które rośnie wraz z kwadratem prędkości i powoduje, że ciało zwalnia
nieznacznie przed uderzeniem w poduszkę. Wynik doświadczenia, można również wykorzystać do
zbadania wpływu kształtu ciała na opór powietrza – używając poduszek (małych) o różnych kształtach
i wielkościach i porównując wyniki.
-
Czas spadku (czas, w którym g = 0 - między upuszczeniem przedmiotu i uderzeniem w poduszkę)
oraz wysokość, możemy wykorzystać do wyznaczenia wartości przyspieszenia ziemskiego.
Przyspieszenie opisane jest następującym równaniem:
h

-
g 2
 t spadku
2
g
2h
t
2
spadku
Czas spadku tspadku możemy wyznaczyć za pomocą funkcji „Zmierz” ( ) (Rysunek 4). Linie kursora,
w momencie kliknięcia ikony „Zmierz” powinny zostać umieszczone w taki sposób, że pierwsza
przecina krzywą pomiarową w punkcie o wartości 1/2 g na początku spadku swobodnego, druga
przecina krzywą w momencie uderzenia (wyraźny wzrost przyspieszenia). W naszym przykładzie czas
spadku z wysokości 1 m wynosi 0,444 s. Wynika z tego, że przyspieszenie ziemskie wynosi
10,15 m/s2, co odpowiada odchyleniu od wartości 9,81 m/s2 mniejszemu niż < 5%.
Uderzenie
Spadek
swobodny
Rysunek 3: Program główny – porównanie przyspieszeń dla trzech różnych wysokości spadku
(100 cm, 135 cm oraz 170 cm)
4
P1500160
www.phywe.de, © Wszystkie prawa zastrzeżone
Brak grawitacji podczas spadku swobodnego
-
2.1.3.1
Możemy wykazać niezależność przyspieszenia ziemskiego od masy, dokładając przedmioty
o niewielkiej masie do wnętrza małej poduszki.
Uderzenie
Spadek
swobodny
Rysunek 4: Wyznaczanie czasu spadku
5
www.phywe.de, © Wszystkie prawa zastrzeżone
P1500160