Newton 's Cradle은 책상 장난감이자 에너지와 운동량 보존 법칙을 보여주는 교육 도구입니다. 공 중 하나가 들어 올려지고 풀리면 후속 고정 공을 때리고 일련의 신속한 에너지 전송을 통해 마지막 공이 바깥쪽으로 추진됩니다.
뉴턴의 크래들은 영화의 모든 Fortune 500 CEO, Psychotic Villains 또는 주인공의 책상에서 볼 수있는 대부분의 장난감입니다. 이 스윙 볼 설정은 일부 사람들에게 스트레스를 줄이고 다른 사람들에게는 창의력을 불러 일으키지 만 대다수의 사람들에게는 매혹적인 산만에 지나지 않습니다.
이 장치는 Isaac Newton 경의 이름을 따서 명명되었으며 Newton 's Pendulum, Newton's Rocker 및 더 우연한 Newton 's Balls로도 알려져 있습니다. Newton 's Cradle은 우아한 장식 작품과는 별도로 물리학의 매우 중요하고 근본적인 법칙, 즉 모멘텀 보존 법과 에너지 보존 법칙을 보여줍니다.
Newton 's Cradle의 역사
대중의 신념과 그 이름과는 달리, 스윙 볼 설정은 실제로 뉴턴에 의해 발명되지 않았으며, 장난감이 보여주는 법을 최초로 잉크 한 것도 아니 었습니다.
.그러한 요람이 시연 한 원칙은 1662 년에 John Wallis, Christopher Wren 및 Christiaan Huygens가 제시 한 논문에서 처음 언급되었습니다. 특히 Christiaan Huygens는 크래들의 발명에 가장 기여했습니다. Huygens의 작품, de motu corporum ex percussione , 정지 된 신체의 충돌과 움직이는 신체에서 휴식중인 운동의 전달에 대해 논의합니다. 그는 또한 요람과 같은 시스템 뒤의 역학을 설명하는 데 모멘텀 보존의 사용과 질량 시간 속도 제곱에 비례하는 양이 필요하다고보고했다. 물론 질량 시간 속도 제곱은 물론 움직이는 몸의 운동 에너지입니다. 그럼에도 불구 하고이 용어는 Huygens의 발견 후 거의 1 세기에 만들어졌습니다.
반면에, 모멘텀 보존 법칙은 먼저 Rene Descartes에 의해 제안되었습니다. 그러나 수학적 표현은 속도 대신 통합 속도를 내놓았습니다. Rene의 공식 인 Momentum =Mass X Speed는 특정 시나리오에서 작동했지만 물체의 충돌과 그 이후의 모멘텀을 설명 할 수 없었습니다. Huygens는 속도가 속도, 벡터 수량으로 대체되었으므로 물체의 충돌을 설명하는 데 더 성공적이었습니다.
그럼에도 불구하고, 프랑스 물리학 자이자 사제 인 Abbé Mariotte는 진자 공을 제대로 수행하고 기록한 최초의 사람이었습니다. Newton은 그의 저서 인 The Principia 에서 Mariotte의 작품을 언급했습니다 그리고 그것은 이제 그의 이름으로가는 설정에 대한 전체 기여입니다.
그러나 왜“뉴턴의 요람”? 물어볼 수 있습니다.
용기 때문에 겁쟁이 개 컴퓨터가 그렇게 말했습니다!
글쎄, 그것은 컴퓨터가 아니었지만, 스윙 볼 셋업 뉴턴의 크래들을 지명 한 클래식 만화 시리즈에서 컴퓨터를 발성 한 배우 (Simon Prebble)는 배우 (Simon Prebble)였습니다.
.요람은 두 가지 이유로 뉴턴의 이름을 따서 명명 된 것으로 여겨집니다. 첫째, 뉴턴의 제 2 법칙 (Force =Mass X 가속)에서 모멘텀 보존 법칙을 도출 할 수 있으며, 두 번째는 Huygens 또는 Mariotte보다 물리 분야에 대한 뉴턴의 훨씬 더 큰 기여에 대한 오드로서.
건설 및 작업
수년에 걸쳐 뉴턴의 요람은 꽤 많은 성형술을 받았습니다. 그러나 기본 개요는 동일하게 유지되며 매우 간단합니다. 일반적으로 5 ~ 7 개의 홀수가 서로 거의 닿지 않는 공이 나무 나 금속 프레임에 매달려 있습니다. 공은 일반적으로 스테인레스 스틸로 만들어졌으며 드문 경우에는 티타늄이 있습니다. 스테인레스 스틸은 우수한 탄성 특성과 열등한 가격으로 인해 공을 건설하기에 이상적인 선택입니다.
각 볼은 속성 (크기, 무게, 질량 및 밀도)이 동일하며 동일한 길이의 두 와이어를 사용하여 매달됩니다. 와이어는 프레임의 양쪽에서 각도를냅니다. 또한 진자 공의 움직임을 프레임의 크로스바와 평행 한 단일 비행기로 제한하는 데 도움이됩니다.
뉴턴의 요람이 작동합니다. (사진 크레딧 :Demondeluxe /Wikimedia Commons)
뉴턴의 요람의 작동은 구조만큼 간단합니다. 한쪽 끝의 공이 들어 올려지고 방출되면 후속 고정 공에 부딪 히고 모든 에너지를 전달합니다. 일련의 믿을 수 없을 정도로 신속한 전송을 통해 에너지는 다른 터미널의 공으로 옮겨져 위쪽으로 스윙해야합니다. 터미널 볼은 첫 번째 볼과 동일하게 높이로 올라 가기 전에 여전히 고정 된 공을 치기 위해 뒤로 내려갑니다. 에너지와 운동은 이제 역 방향으로 수행되어 결국 첫 번째 공을 다시 밀어 넣습니다.
다음 과정은 시작시 부여 된 모든 에너지가 공기 저항, 음향 에너지 및 스윙 구체 사이의 열에서 마찰로 손실 될 때까지 계속됩니다.
뉴턴의 요람 뒤에 물리학
앞에서 언급했듯이 뉴턴의 요람은 에너지와 운동량 보존 법칙을 보여줍니다.
에너지 보존 법칙은``에너지는 한 형태에서 다른 형태로 전환 될 수 있지만 에너지를 창조하거나 파괴 할 수는 없다 ''고 말했다. 다른 한편으로, 운동량 보존 법칙은 고립 된 시스템의 운동량이 보존/일정하다고 주장한다.
뉴턴의 요람으로 돌아와서 휴식 시간에 공은 잠재적 인 에너지가 없습니다. 공은 더 이상 움직일 수 없기 때문에 (휴식 h =0에서 잠재적 에너지 =mgh) 움직일 수 없기 때문에 (동역학 에너지 =1/2 mv2, 휴식 v =0). 마찬가지로, 공은 운동량을 가지고 있지 않습니다 (Momentum =MV, REST v =0)
그러나 첫 번째 공이 위로 올라 가면 높이가 증가하면서 중력 전위 에너지를 얻는 반면 운동 에너지는 동일하게 유지됩니다. 방출되면 구의 높이가 감소함에 따라 잠재적 에너지가 운동 에너지로 변환됩니다. 모든 잠재적 에너지는 스윙의 바닥 위치에서 운동 에너지로 변형됩니다. 또한, 볼은 흔들리는 모멘텀을 얻고 바닥 위치에서 최대 모멘텀을 얻습니다.
다음 공에 영향을 미치면 첫 번째 공은 모든 운동 에너지를 잃고 결과적으로 모든 운동량을 잃고 데드 스톱에옵니다. 그러나 에너지와 운동량을 잃을 수 없으므로 파업하는 공으로 옮겨야합니다.
충격에 따라 첫 번째 공으로 가해지는 힘은 두 번째 공이 약간 압축됩니다. 압축은 잠재적 에너지의 형태로 에너지가 전달되는 것을 상징합니다. 두 번째 공이 원래 모양을 유지하려고 할 때, 잠재적 에너지는 운동 에너지로 변환되며 동시에 후속 볼로 전달됩니다. 다음과 같은 압축-감압 체인, 따라서 에너지 전달은 최종 영역까지 계속됩니다.
최종 구체는 압축 압축으로 에너지를 압축하고 전달할 후속 볼을 찾지 못합니다. 에너지 전달은 실행 가능한 옵션이 아니기 때문에 최종 공은 두 번째 공을 밀고 그 대가로 바깥쪽으로 추진됩니다. 모든 행동은 동등하고 반대의 반응을 가지고 있습니다.
전송 과정에서 에너지가 손실되지 않기 때문에, 최종 공은 첫 번째 공의 떨어지는 속도와 동일한 속도로 쏘아 모멘텀이 보존되었음을 나타냅니다!
.또한, 마지막 공은 첫 번째 공의 하락 높이와 동일한 레벨로 올라가 모든 에너지도 절약된다는 것을 나타냅니다!
최종 단어
요람 뒤에있는 작업 절차와 물리학은 매우 간단하지만 개인은 종종 묻습니다. 요람이 절반의 속도로 두 개의 공을 폭파하지 않는 이유는 무엇입니까? 아니면 더 나은지, 나머지는 1/4 속도로? 일단 시작되면 요람이 멈출까요?
첫째, 각 공은 다른 공을 움직일 수있는 충분한 에너지를 부여합니다 (크기가 같은 크기가 주어지면 바깥쪽으로 발사되는 공의 수는 떨어진 공의 수와 같습니다. 둘째, 운동량 (MV)의 공식에서 알 수 있듯이 질량이 동일하다면 (실제로 모든 공에 대해) 운동량을 보존하려면 속도도 동일하게 유지되어야합니다. 셋째, 크래들은 에너지 손실로 인해 결국 멈 춥니 다.
이상적인 세상에서 뉴턴의 요람은 탄성 충돌을 나타냅니다 (충돌 전후의 운동 에너지는 동일하게 유지됩니다). 그러나 에너지 손실은 충돌을 비 탄력적으로 만듭니다.
.그럼에도 불구하고,이 50 살짜리 장치는 계속해서 매혹적인 장난감과 훌륭한 교육 도구로 계속 우세하고 있습니다!
