13,3 тыс подписчиков

Эксперименты с маятником Ньютона

13 июля 202213 июл 2022

2337

3 мин

Колыбель Ньютона

Можно бесконечно наблюдать за этой популярной игрушкой с шариками, но мало кто догадывается, что это отличная наглядная демонстрация закона сохранения импульса.

История создания:

Еще в 15-16 веках ученые внимательно изучали различные конструкции маятников, так, например, в 1703 была опубликована работа Христиана Гюйгенса «О движении тел при столкновении», в которой было описано движение и столкновение двух тел с одинаковой массой.

В той же работе было отдельное описано столкновение двух шариков одинаковой массы, в результате которого один полностью останавливается, а другой приходит в движение.

Современную версию игрушки, представляющую из себя 5 шариков одинаковой массы, подвешенных на тонкой леске, придумал английский актер Саймон Преббле в 1967 году. Он основал компанию Scientific Demonstrations («Научные демонстрации») и придумал название «Колыбель Ньютона». В оригинальной версии игрушки из дерева была сделана не только конструкция подставки, но и сами шарики. В первое время магазины неохотно ее продавали, но как только удалось договориться о продаже в знаменитом магазине Harrodsв Лондоне, дела пошли на лад!

В дальнейшем оригинальная версия была доработана скульптором Ричардом Лонкрейном; шарики стали металлическими, и именно такой вариант игрушки сегодня можно увидеть во многих кабинетах руководителей – да-да-да, ведь «Колыбель Ньютона» стала не сколько детской игрушкой, а сколько забавным сувениром для офисных работников.

Проводимые эксперименты:

- возьми крайний шарик, подними, а затем отпусти. Что произошло? Стоило нашему шарику коснутся других, как он остановился, но при этом в движение пришел шарик с противоположной стороны, поднявшись практически на ту же самую высоту!

- а теперь попробуй аналогичным образом поднять сразу два шарика. Обрати внимание, стоило их отпустить, как они передали свой импульс сразу двум шарикам с другой стороны, и те пришли в движение. А что будет, если поднять сразу три шарика?

- а теперь возьми два шарика с противоположных сторон и, подняв на одинаковую высоту, отпусти. Что произошло? Три шарика в середине так и остались на своих местах, в то время как наши шарики стали отскакивать как маятник;

- интересно, как долго будут находиться шарики в движении? От чего это зависит? Возьми часы и зафиксируй наибольшую продолжительность движения шариков;

- попробуй увеличить вес некоторых шариков при помощи пластилина. К какому результату это привело?

Чему учит:

Колыбель Ньютона – отличное устройство для демонстрации закона сохранения энергии.

Наша конструкция представляет из себя замкнутую систему, на которую действует не так много сторонних сил.

Когда мы поднимаем первый шарик, он обладает только потенциальной энергией, но стоит нам его отпустить, как он приходит в движение, и потенциальная энергия переходит в кинетическую. Как только первый шарик касается второго, он передает свой импульс (импульс равен массе шарика, умноженного на его скорость), тот передает импульс следующему и так далее. А последний шарик поднимается, поскольку его импульс уже некому передать. При этом он поднимается практически на ту же высоту, что и первый шарик (кинетическая энергия переходит в потенциальную).

Конструкция может быть в движении достаточно долго, но из-за потери энергии, связанной с силой трения, в конце концов остановится (а если бы трение отсутствовало, то наша «Колыбель Ньютона» оказалась вечным двигателем, и шарики бесконечно долго находились бы в движении).

Интересные факты:

- колыбель Ньютона можно увидеть в различных музеях занимательной науки. Там эти экспонаты могут быть просто огромными;

- сами шарики могут быть сделаны из различных материалов. В большинстве случаев они металлические, впрочем, бывают сделанные из дерева или даже из кости;

- «колыбель Ньютона» или как ее еще называют, «маятник Ньютона» была названа в честь Исаака Ньютона для демонстрации преобразования двух видов энергии: кинетической в потенциальную, и наоборот;

- самая большая «колыбель Ньютона» находится в городе Каламазу (Мичиган, США). В ней целых 16 шаров для боулинга, массой 6,8 кг каждый. Эти шары подвешены на нитях длиной 6,1 метров на высоте 1 метр от пола;

- самая тяжелая колыбель Ньютона была создана в передаче «Разрушители мифов»: она состояла из 5 шаров из бетона и арматуры (каждый весил тонну), подвешенных на стальных тросах. Правда, эта конструкция не работала должным образом.