Về con lắc Newton | Động lượng, năng lượng và tiếng tách

Một hàng bi giống nhau

Con lắc Newton là một khung và một hàng bi kim loại giống nhau trên những sợi dây dài bằng nhau. Khi đứng yên, các bi chỉ chạm khẽ. Mỗi bi là cùng một con lắc: cùng khối lượng, cùng chiều dài, cùng nhịp đung đưa.

Điều bạn thấy

Bạn nâng một bi ở một đầu rồi thả. Nó rơi và đập vào bi kế tiếp. Năng lượng và động lượng đi xuyên qua những bi ở giữa, vốn hầu như không nhúc nhích. Chỉ bi ở đầu kia văng lên, với tốc độ gần như vậy. Nâng hai thì hai văng ra phía bên kia. Nâng ba thì ba văng ra. Số rời đi bằng số đã tới.

Bảo toàn động lượng

Động lượng là khối lượng nhân vận tốc. Trong một hệ kín, tổng không đổi. Tiếng tách ngắn đến mức dây không kịp kéo, nên trong khoảnh khắc đó các bi là một hệ kín. Động lượng tới từ một phía thì rời đi ở phía kia. Phần còn lại của nhịp, dây có kéo ngang. Động lượng ngang của riêng các bi khi ấy không đổi. Khung giữ phần chênh.

Bảo toàn năng lượng

Động năng là năng lượng của chuyển động. Thế năng là năng lượng của độ cao. Một bi được nâng giữ thế năng. Khi rơi, nó thành động năng. Tiếng tách chuyển động năng đi, và bi ở xa leo lên cho đến khi chuyển động lại thành độ cao. Rồi nó rơi về, và giá treo lặp lại.

Va chạm đàn hồi

Va chạm đàn hồi giữ động năng thành chuyển động. Rất ít bị tiêu vào nhiệt hoặc vào một vết lõm trên thép. Vì thế bi rời đi gần nhanh bằng bi tới. Chỉ động lượng thôi thì còn những cách chia khác. Một bi có thể rời đi với tốc độ gấp đôi, hoặc mọi bi có thể cùng bò về phía trước. Những cách chia đó phí động năng. Tiếng tách đàn hồi là cách chia giữ cả hai định luật, và đó là cách giá treo cho thấy: cùng số bi, cùng tốc độ, ở phía bên kia.

Vì sao cuối cùng nó dừng

Giá treo không đàn hồi hoàn hảo, và không ở trong chân không. Sức cản không khí kéo mỗi nhịp. Mỗi tiếng tách tiêu thêm một ít năng lượng thành âm thanh và thành một nén rất nhỏ của kim loại. Các nhịp ngắn dần cho đến khi các bi treo yên.

Thử trong PictorX

Mở con lắc Newton và một bi đã được nâng sẵn. Kéo một trong hai đầu để chọn độ cao, hoặc chỉnh Số bi và Số nâng. Số bi chạy từ 3 đến 7. Ma sát là không khí, và Độ nảy là tiếng tách đàn hồi đến mức nào. Số liệu cho tốc độ ở mỗi đầu, rồi độ cao, chuyển động và tổng của chúng. Lưu PNG, hoặc mở hình trong trình sửa PictorX.

Hỏi thường xuyên

Vì sao chỉ bi ở đầu xa chuyển động?

Các bi có khối lượng bằng nhau và tiếng tách gần như đàn hồi. Kết quả duy nhất giữ cả động lượng lẫn năng lượng là bi tới dừng lại và bi ở xa rời đi với cùng tốc độ. Những bi ở giữa truyền nhiễu loạn đó và đứng yên.

Vì sao hai bi gửi hai bi ra?

Hai bi tới cùng nhau với một tốc độ. Hai bi rời đi với tốc độ đó giữ cả động lượng lẫn năng lượng. Một bi rời đi với tốc độ gấp đôi sẽ giữ động lượng và vứt năng lượng.

Động lượng có được bảo toàn suốt thời gian không?

Trong tiếng tách, có. Suốt một nhịp đầy đủ dây có kéo, nên động lượng ngang của các bi thay đổi và khung chịu phần chênh. Thứ không đổi, ngoài không khí và tiếng tách, là năng lượng.

Vì sao con lắc Newton dừng lại?

Không khí làm chậm mỗi nhịp, và mỗi tiếng tách mất một ít năng lượng thành âm thanh và nhiệt. Khi ma sát bằng không và độ nảy đàn hồi hoàn toàn, giá treo mô phỏng cứ đung đưa.