Przeciążenia

Wpis

czwartek, 06 czerwca 2013

Doświadczenie 1: Windą przez świat

Niedawno cała nasza grupa udała się do centrum handlowego Stary Browar w Poznaniu, aby przeprowadzić kilka doświadczeń i zbadać przeciążenia w windach. Zmontowaliśmy całą aparaturę (statywy i kamery, waga elektroniczna naciskowa, ciężarki) i jeździliśmy windą w górę i w dół. Jednak po przeprowadzeniu każdego doświadczenia należy jeszcze zadbać o dokumentację, a przede wszystkim dokonać obserwacji i wyciągnąć wnioski. Tym właśnie zajmiemy się w niniejszym poście.

Jedna z testowanych wind

 

Doświadczenie 1a)

Badanie przeciążenia w windzie poruszającej się do góry

Przebieg doświadczenia

Doświadczenie przeprowadziliśmy w kilku różnych windach. W każdej z nich położyliśmy wagę elektroniczną, wytarowaną i obciążoną kilkoma ciężarkami o łącznej masie 570 gramów. Przed wyświetlaczem wagi ustawiliśmy kamerę na statywie, zaś cały ten zestaw badawczy był nagrywany przez oddzielną kamerę na statywie, co pozwalało na zaprzeczenie jakimkolwiek podejrzeniom w sprawie manipulacji z naszej strony.

Zestaw sprzętowy wykorzystywany w eksperymencie

Po przygotowaniu wszystkiego, cała grupa weszła do windy i pojechała nią na górę, jednocześnie obserwując wskazania wagi. Eksperyment wkrótce powtórzyliśmy, tym razem jednak dwóch członków grupy, w tym autor tego artykułu, zostało na dole w celu filmowania ruchu windy z zewnątrz. Było to możliwe dzięki przezroczystym ścianom szybu windowego oraz kabiny.

Obserwacje

Przed rozpoczęciem ruchu windy pokazywana przez wagę wartość była stała. Na początku ruchu czuliśmy się nieco ciężsi, a wskazanie wagi zwiększyło się, by w pewnym momencie wrócić do stanu początkowego. Pod koniec ruchu wydawało nam się, że jesteśmy jakby lżejsi, a wskazanie wagi zmniejszyło się w stosunku do początkowego. Gdy winda się zatrzymała, wszystko wróciło do normy.

Wnioski

Podczas ruchu windy do góry wewnątrz kabiny można doświadczyć stanu przeciążenia (nadważkości) i niedociążenia (niedoważkości).

Czas na teorię

Aby nieco jaśniej pojąć trudne do zrozumienia problemy przeciążeń w windzie, zacznijmy od zastanowienia się nad analogiczną sytuacją w samochodzie. Zapewne często doświadczyłeś, drogi Czytelniku, uczucia "wgniatania" w fotel podczas gwałtownego przyspieszania samochodu. Czy takie samo wrażenie towarzyszyło Ci wówczas przez cały czas, czy też może tylko podczas przyspieszania?

Gdy ciało znajduje się w układzie odniesienia, który poddany jest pewnemu przyspieszeniu, działa na nie siła zwana siłą bezwładności. Nie jest ona siłą rzeczywistą - gdyby przyglądać się temu zjawisku z innej perspektywy, np. stojąc na poboczu drogi, potrafilibyśmy wytłumaczyć zjawiska zachodzące wewnątrz samochodu bez jej użycia. Została ona wprowadzona do fizyki jako pewne ułatwienie, zgodne jednakże z zasadami, gdyż wszystko jest względne.

Siła bezwładności działa na nas również podczas gwałtownego hamowania pojazdu. Czujemy wówczas, że działa na nas siła pchająca nas w stronę przedniej szyby. Właśnie ze względu na nią w samochodzie zawsze należy zapinać pasy!

Przyjrzyjmy się teraz płynącym z tego wnioskom. Gdy samochód przyspiesza, czyli przyspieszenie, któremu jest poddany, zwrócone jest w przód, zwrot siły bezwładności jest przeciwny (jesteśmy wciskani w fotel, czyli działa na nas siła zwrócona w tył). Gdy samochód hamuje, czyli przyspieszenie, któremu jest poddany, zwrócone jest w tył, zwrot siły bezwładności również jest przeciwny (działająca na nas siła popycha nas do przodu). Okazuje się, że zauważoną tu prawidłowość można uogólnić: jeżeli ciało znajduje się w układzie odniesienia poddanym przyspieszeniu, to siła bezwładności działająca na to ciało ma przeciwny zwrot niż przyspieszenie.

Wróćmy teraz do windy. W środkowej fazie naszej "podróży" wskazania wagi elektronicznej oraz nasze odczucie ciężaru wróciły do normy. Oznacza to, że winda poruszała się wówczas ruchem jednostajnym (ze stałą prędkością). Na początku ruchu musiała w jakiś sposób osiągnąć tą prędkość, gdyż na początku jej szybkość była zerowa. Oznacza to, że kabina musiała poruszać się ruchem przyspieszonym. To w pełni wyjaśnia odczuwane w windzie przeciążenie.

Wiemy już, że winda poruszała się ruchem przyspieszonym na początku doświadczenia. Co jednak powodowało malenie wskazań wagi elektronicznej oraz uczucie lekkości pod koniec jazdy? Jak zapewne się domyślacie, winda musiała wówczas zahamować, a więc poruszać się z pewnym opóźnieniem (ujemnym przyspieszeniem). Właśnie to spowodowało stan niedoważkości: siła bezwładności miała przeciwny zwrot, niż ciężar, a więc siła wypadkowa była mniejsza od ciężaru. Wartość przeciążenia stała się zatem mniejsza niż 1g.

Doświadczenie 1b)

Badanie przeciążenia w windzie poruszającej się w dół

Przebieg doświadczenia

To doświadczenie przygotowaliśmy w sposób podobny do poprzedniego, w każdej windzie do obu doświadczeń używaliśmy takiego samego zestawu badawczego. Jak można się domyślić, badaliśmy tym razem przeciążenia podczas ruchu windy w dół.

Wciąż ten sam zestaw sprzętu

 

Obserwacje

Przed rozpoczęciem ruchu windy pokazywana przez wagę wartość była stała. Na początku ruchu czuliśmy się nieco lżejsi, a pokazywana przez wagę wartość zmalała, by powrócić w pewnym momencie do stanu początkowego. Po pewnym czasie, pod koniec ruchu, doświadczyliśmy uczucia "wgniecenia" w podłogę, zaś wskazanie wagi zwiększyło się. Gdy winda zatrzymała się, wszystko wróciło do normy.

Wnioski

Podczas ruchu windy w dół wewnątrz kabiny można doświadczyć niedoważkości, a następnie nadważkości.

Czas na teorię

Tym razem wytłumaczenie doświadczenia powinno być nieco prostsze, gdyż znamy już podstawowe terminy i prawidłowości. Łatwo zauważyć, że gdy winda przyspiesza poruszając się w dół, siła bezwładności jest skierowana w górę. Oznacza to malenie siły nacisku ciała na podłogę oraz malenie wartości przeciążenia. Jako że wartość przyspieszenia windy jest dość niewielka, nie odczuwamy po drodze przeciążenia 0g (stanu nieważkości) ani przeciążeń ujemnych (chodzenie po suficie). Byłoby to możliwe, gdyby winda poruszała się w dół z przyspieszeniem co najmniej 9,81 m/s2. Siła bezwładności równoważyłaby wówczas ciężar, zaś siła nacisku ciała na podłogę kabiny zmalałaby do zera.

W środkowej fazie ruchu winda porusza się ruchem jednostajnym. Na końcowym etapie kabina hamuje, zaś przeciążenie jest wówczas większe od 1g. Odczuwalny jest stan nadważkości.

Czas na obliczenia

Było doświadczenie, była teoria, więc czego brakuje, aby uznać to za kompletną lekcję fizyki? Oczywiście obliczeń. Zacznijmy od wyprowadzenia wzoru na przeciążenie w windzie, aby obliczyć je na podstawie takich danych, jak masa ciała czy też "masa pozorna", czyli wskazanie wagi podczas przyspieszenia kabiny.

Waga nie pokazuje tak naprawdę masy ciała. W tym celu musiałaby znać masy wszystkich cząsteczek tego ciała oraz ich liczbę. Innym dowodem jest fakt, że w windzie wskazanie wagi maleje lub rośnie. Jak zapewne się domyślacie, powodem nie jest utrata cząsteczek przez nasze ciało ani zmiana ich masy. W celu wyznaczenia masy waga elektroniczna mierzy siłę nacisku ciała na jej powierzchnię, po czym korzysta z tego, że przyspieszenie ziemskie jest w przybliżeniu stałe, i oblicza masę ciała. Siła nacisku jest zazwyczaj porównywalna z ciężarem ciała, dlatego w codziennych sytuacjach można na niej polegać przy wyznaczaniu masy.

Wiemy już, że "masa pozorna" jest po prostu ilorazem siły nacisku ciała na powierzchnię wagi oraz przyspieszenia ziemskiego, podobnie jak prawdziwa masa jest ilorazem ciężaru i tegoż przyspieszenia.

mp = FN/g

m = Q/g

Po przekształceniu pierwszej zależności otrzymujemy wzór na siłę nacisku:

FN = mp * g

Tak naprawdę siła nacisku jest, jak każda siła, iloczynem masy i przyspieszenia. W tym przypadku owe przyspieszenie jest równe przeciążeniu, które oznaczymy p.

FN = m * p

mp * g = m * p

p = g * (mp/m)

Widać teraz wyraźnie, dlaczego przeciążenie jest używane w takich sytuacjach częściej niż podawanie sił w niutonach. Pozwala ono na szybkie obliczenie, jak zmienia się wskazanie wagi (i nasze odczucie ciężkości) w stosunku do naszej prawdziwej masy. Co więcej, wystarczy kilka prób, aby przekonać się, że ten wzór jest uniwersalny. Nie zamierzamy męczyć Was długimi wyliczeniami wyników. Podajmy jedynie kilka ciekawych informacji.

Największe przeciążenia:

1,14g - największe przeciążenie w stanie nadważkości

0,87g - największe (lub może najmniejsze) przeciążenie w stanie niedoważkości

Zachęcamy Was do obliczenia, jaką "masę" pokazałaby Wam wasza waga, gdybyście stanęli na niej w windzie przy takich przeciążeniach. Wystarczy przekształcić wyprowadzony wyżej wzór.

Czytajcie dalej oficjalnego bloga naszej grupy, aby dowiedzieć się, jakich przeciążeń można doznać w życiu codziennym oraz podczas podróży na torze saneczkarskim, a także przeczytać o teoretycznych przypadkach przeciążeń, jak wspomniane już w tym poście chodzenie po suficie.

Szczegóły wpisu

Tagi:
Autor(ka):
projektnafizyke2013
Czas publikacji:
czwartek, 06 czerwca 2013 19:07

Polecane wpisy

Komentarze

Dodaj komentarz

  • iqqa napisał(a) komentarz datowany na 2016/10/19 11:42:00:

    Brawo dla Grupy Fizycznej Projektu Gimnazjalnego 2013 Polsko-Angielskiego Prywatnego Gimnazjum. Intrygujący tekst, który warto rozpowszechniać dalej. Zastanawiam się, czy podobne eksperymenty mogłyby być wykonywane na mniejszych windach, np. domowych? Pierwszy przykład z brzegu na www.liftplus.pl.

Dodaj komentarz