Ustawienia
Poziom zerowy wybieramy dowolnie. Przeciągnij niebieską przerywaną linię na scenie (albo użyj ↑/↓, gdy scena jest aktywna). Zmienią się wartości Ep i energii całkowitej — mogą być nawet ujemne — ale ruch i zmiany energii pozostają takie same. W fizyce liczą się różnice energii.
Wzory na żywo
wartości aktualizują się podczas ruchuEk = ½·m·v²—
Ep = m·g·h—
Q—
E = Ek + Ep + Q—
Okres drgań
T0 = 2π·√(l/g)—
T dokładny—
T zmierzony—
Co tu widać?
Skater (albo kula wahadła) to w naszym modelu punkt materialny. Siła ciężkości raz go rozpędza, raz hamuje — a energia przez cały czas tylko przelewa się między różnymi postaciami.
Zasada zachowania energii
Gdy skater zjeżdża, maleje jego energia potencjalna Ep, a rośnie kinetyczna Ek. Pod górę jest odwrotnie. Bez tarcia suma Ek + Ep (energia mechaniczna) jest stała — dlatego w rynnie skater wjeżdża po drugiej stronie dokładnie na wysokość startu.
Wzory
Ek = ½·m·v² Ep = m·g·hm — masa [kg], v — prędkość [m/s], g — przyspieszenie grawitacyjne [m/s²], h — wysokość [m]. Jednostką energii jest dżul: 1 J = 1 kg·m²/s².
Z równości ½·m·v² = m·g·h wynika v = √(2·g·h) — masa się skraca! Lekki i ciężki skater jadą tak samo szybko; zmieniają się tylko wartości energii.
Tarcie i ciepło
Siła tarcia działa przeciwnie do ruchu i wykonuje pracę, która zamienia energię mechaniczną w energię termiczną Q — kółka i tor się nagrzewają. Energia mechaniczna maleje, ale energia całkowita Ek + Ep + Q pozostaje stała. Energia nie znika: rozprasza się jako ciepło, więc skater wjeżdża coraz niżej, aż zatrzyma się w dolinie.
Twarde lądowanie po locie też zamienia część energii w ciepło (i dźwięk), dlatego Q może rosnąć nawet przy zerowym tarciu.
Gdzie jest zero?
Poziom, od którego mierzymy wysokość h, wybieramy dowolnie — na ziemi, na dnie rynny, a nawet nad skaterem. Przesunięcie linii Ep = 0 zmienia wartości Ep i E (mogą być ujemne), ale nie zmienia ruchu ani zmian energii: ΔEp = m·g·Δh.
Pętla i loty
Na szczycie pętli tor musi „dociskać” skatera. Potrzebna jest prędkość v ≥ √(g·R) (R — promień pętli), czyli bez tarcia start z wysokości co najmniej 2,5·R nad dnem okrągłej pętli. Gdy prędkość jest za mała, nacisk toru spada do zera — skater odrywa się, leci torem rzutu i ląduje z powrotem na torze.
Wahadło
Kula wahadła też zamienia Ep w Ek i z powrotem. Dla małych wychyleń okres T0 = 2π·√(l/g) nie zależy ani od amplitudy, ani od masy. Przy dużych kątach wahadło waha się wolniej — dla 90° okres jest dłuższy o około 18 %. Opór powietrza zamienia energię w ciepło, więc amplituda maleje; cięższa kula traci ją wolniej.
Spróbuj
- Ustaw tarcie na 0 — słupek „Całkowita” się nie zmienia.
- Przełącz na Księżyc: ruch jest wolniejszy, energie mniejsze, ale skater wjeżdża na tę samą wysokość.
- Na torze „Pętla” startuj coraz niżej. Od jakiej wysokości skater odpada?
- Przesuń linię Ep = 0 nad skatera — Ep staje się ujemna.
- W wahadle porównaj zmierzony okres z T0 dla 10° i dla 120°.
Klawiatura
- Spacja
- start / pauza
- R
- reset
- P
- powrót do punktu startu
- ← →
- przesuń skatera / kulę podczas pauzy (z Shift — większy krok)
- 1–6
- wybór toru
- M
- zmiana trybu: Rampa / Wahadło
- S
- tempo pełne / zwolnione
- G V Z T
- siatka, prędkościomierz, linia zerowa, ślad
- na scenie
- , . wybór punktu toru, Shift+strzałki przesuwanie, + dodanie, Delete usunięcie, ↑ ↓ linia Ep = 0, Esc odznaczenie