Otázka:
Proč se vázaný balón nechová jako kyvadlo?
José D.
2014-09-29 14:30:04 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Je dobře známo, že uvázané závaží bude oscilovat působením gravitace, bude-li ponecháno stranou, jako kyvadlo. Pokud však připevníme héliový balón k zemi a necháme jej tvořit podlahu (ne přesně tam, kde je uvázán, ale z boku), půjde nahoru, dokud se struna neuvolní bez oscilace.

Proč je to tak? Jak se síla hélia táhne nahoru od gravitační táhnoucí dolů v příkladu kyvadla?

Můj první odhad: Balón má velmi malou hmotnost a tření je velké (velká plocha), takže oscilace je velmi tlumená.
@Jasper:, která by měla být odpovědí.
@John: Thx za radu!Jen jsem to přidal jako odpověď.Až tam příště uvedu takovou odpověď, prostě jsem si nebyl jistý, jestli by takové krátké prohlášení mohlo být způsobilé.
Není to * přesně * stejné.Čistá síla na balónu je vzhůru, ale váha postroje je stále směrována dolů.Za předpokladu poměrně robustního kusu provázku nebo podobného materiálu není tato síla pravděpodobně zanedbatelná ve srovnání s vztlakem balónu.
Gravitace působí na hmotu.Vztlak je funkcí nedostatku hmoty ve srovnání se substrátem.Hmotnost je nutná pro setrvačnost.Kyvadlo funguje, protože gravitace působící na hmotnost objektu je vyvážena setrvačností objektu.
čtyři odpovědi:
Jasper
2014-09-29 15:53:15 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Balónek má velmi malou hmotnost a tření je velké (velká plocha), takže oscilace je velmi tlumená.

Ale pokud dáte heliový balón do vakua, pak ... ehm ... praskne a struna spadne na podlahu.Ach, dobře.
Ne nutně .. Dostatečně silný materiál může snadno zadržet tlak helia uvnitř, ale problém je v tom, že ve vakuu by balón „nevystoupil“.Očekával bych, že byste mohli experiment uskutečnit na vzduchu s podivným „balónkem“ s velmi malou povrchovou plochou ve směru pohybu, který by na krátkou dobu osciloval.
Dalo by se to v superfluidu - který se chová, jako by tření bylo nulové.Ale jedním z mála fyzikálních superfluidů, které známe, je kapalné helium 4. Což je chladno.A ne mnohem hustší než hélium.A scvrkne héliový balón.Ach, dobře.
@Richerby: Vlastně jste si mysleli, že jste položili zajímavou otázku, jak by bylo možné vidět oscilační pohyb.;)
Spíše než říkat „oscilace je velmi tlumená“, je lepší říci, že oscilace neexistuje.Oscilace existují pouze v případě, že je systém podtlakový.V přehnaně tlumeném systému (což je téměř jistě tento případ) se oscilační chování pod tlumeného systému stává součtem dvou exponenciálních rozpadů.
Použijte plovák připevněný ke dnu sklenice, akvária nebo bazénu a množství odporu na jednotku vztlaku lze výrazně snížit [odpor by se zvýšil ve srovnání se vzduchem, ale vztlak by se zvýšil více].Takové experimenty by odhalily další důležitý problém: schopnost tekutiny obklopující plovák se pohybovat.
Mýtusoví otestovali, zda se vlajka bude třást ve vakuu.To by.Myslel jsem, že to souvisí.
Thorsten S.
2014-09-30 00:08:11 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Vázané balónky do se chovají jako kyvadlo, potřebujete pouze opravdu obrovské:

Balloon starting

Můžete je vidět naživo v video.

Horkovzdušné balóny mají tak velké množství ..erm ... horkého vzduchu, že během startu očekáváte oscilace, protože zatímco povrchová plocha je velká, hmota uvnitř je tak velká, že tlumení je dostatečně nízké. Nejsou úplně jako kyvadlo, protože horký vzduch se může volně pohybovat (a mísí se s chladnějším vzduchem uvnitř), ale vidíte, že je to rozhodně oscilační.

Odpovědi na protiargumenty: Horkovzdušné balóny se většinou spouští s velmi nízkou rychlostí větru, který je u země téměř klidný, takže to není vítr. K oscilaci dochází také v případě, že je vypnutý hořák.

Floris
2014-10-02 08:52:00 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Ve skutečnosti se chová přesně jako kyvadlo. Pohybové rovnice jsou přesně stejné. Problém, jak zdůraznil Jasper, je tlumivý. Když přemýšlíte o „normálním“ kyvadle, uvažujete o lehce tlumeném oscilátoru. Balón, jak ukážu níže, je silně tlumený .

U tlumeného harmonického oscilátoru (k němuž se kyvadlo přibližuje pro malé výchylky) je obecná rovnice

$$ m \ ddot x + \ mu \ dot x + k \ cdot x = 0 $$

Kde $ x $ je výtlak, $ m $ je hmotnost, $ \ mu $ je koeficient odporu a $ k $ je koeficient „pružiny“.

Někdy je tato rovnice přepsána jako

$$ \ ddot x + 2 \ zeta \ omega_0 \ dot x + \ omega_0 ^ 2 x = 0 $$

Kde se $ \ zeta $ nazývá poměr tlumení , bezrozměrné číslo. - více o tom za minutu.

Řešení této rovnice závisí na stupni tlumení (velikost $ \ zeta $). Je dobře vidět, že

$$ \ omega_0 = \ sqrt {\ frac {k} {m}} $$ a $$ \ zeta = \ frac {\ mu} {2m \ omega_0} = \ frac {\ mu} {2 \ sqrt {mk}} $$

Vyřešíme to pomocí zkušebního řešení:

$$ x = A e ^ {\ gamma t } \\\ gamma ^ 2 + 2 \ zeta \ omega_0 \ gamma + \ omega_0 ^ 2 = 0 $$

což je rovnice se dvěma (komplexními) kořeny:

$ $ \ gamma = \ frac {-2 \ zeta \ omega_0 \ pm \ sqrt {4 \ zeta ^ 2 \ omega_0 ^ 2 - 4 \ omega_0 ^ 2}} {2} \\ = \ omega_0 (- \ zeta \ pm \ sqrt {\ zeta ^ 2-1}) $$

Když $ \ zeta \ gt 1 $ jsou kořeny skutečné a rovnice je overdamped oscilátor - což znamená že nikdy neciluje, jen se pomalu vrací do rovnovážné polohy:

$$ x (t) = A e ^ {\ gamma_ + t} + B e ^ {\ gamma_- t} $$

Kde $ \ gamma _ + $ a $ \ gamma _- $ jsou dva kořeny výše uvedené rovnice.

Zbývá jen dokázat, že u balónu je $ \ zeta \ gt 1 $.

Jelikož je balón naplněný heliem „lehčí než vzduch“, můžeme stanovit horní hranici odhadu hmotnosti z hmotnosti ekvivalentního tělesa vzduchu. U koule o průměru 25 cm je objem přibližně 8 litrů, takže hmotnost je < 8 gramů (1 kg / metr krychlový je pěkná aproximace hustoty vzduchu: je o něco vyšší, ale odhadujeme zde).

Dále si všimneme, že koule pohybující se médiem má zjevnou setrvačnost, která je vlastní setrvačností plus polovinu setrvačnosti posunutého média, takže přidáme 4 gramy za $ m = 12 \ text {g} $ - kromě toho, že balón je lehčí než vzduch, řekneme, že je $ 10 \ text {g} $ a počítáme s napětím v řetězci $ 2 \ text {g} = 0,02 \ N $ (předpokládáme bezhmotný řetězec ... )

Koeficient odporu koule ve vzduchu je funkcí Reynoldsova čísla. Pokud se koule pohybuje rychlostí 10 cm / s, spočítáme

$$ R = \ frac {DV \ rho} {\ mu} ~ 2000 $$

To znamená koeficient táhnout je 0,43 a tažná síla daná

$$ F = \ frac12 \ rho v ^ 2 A c_d $$

to není lineární s rychlostí, takže musíme udělejte další aproximaci, že průměrná rychlost koule během jejího pohybu je 5 cm / s - pak můžeme vypočítat $ \ zeta $ jako

$$ \ zeta = \ frac12 \ frac {\ rho v A c_d} {2 \ sqrt {mk}} $$

Nyní musíme převést efektivní vztlak na „pružinovou konstantu“ pomocí aproximace malého úhlu.

Pro kyvadlo délky $ l $ a (malé) vychýlení $ x $,

$$ F = \ frac {mgx} {l} \\ k = \ frac {mg} {l} $$

V tomto případě pro balón na provázku 40 cm se vztlakem 0,02 \ N $, $ k = \ frac {0,02} {0,4} = 0,05 N / m $

To nám dává

$$ \ zeta = \ frac {1 \ cdot 0,05 \ cdot 2000 \ cdot 0,43} {4 \ cdot \ sqrt {0,012 \ cdot 0,05}} \ přibližně 400 $$

Takže ano - $ \ zeta \ gt 1 $, které jsme se rozhodli dokázat ( quod erat demonstrandum ). Dospěli jsme k závěru, že se jedná o silně tlumený systém a řešením je pomalý návrat do rovnovážné polohy bez oscilace.

A to je vaše vysvětlení.

Bruzote
2014-09-30 03:16:24 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Zdá se, že hledáte opak gravitačního kyvadla pomocí vztlaku. Kyvadla však nefungují pomocí vztlaku, takže opak by nikdy nemohl platit. Přesto, pokud chcete vidět balón oscilovat jako kyvadlo, můžete balón uvázat na kotvu, obklopit jej vakuem, abyste eliminovali odpor, dát mu silný statický elektrický náboj a umístit opačně nabitou velmi širokou desku nad to. Balón pocítí tah vzhůru podobně, jako to cítí tah dolů od gravitace. Pokud se tento experiment provede tam, kde je elektrická přitažlivost silnější než gravitace, pak budete mít kyvadlo, které vypadá, jako by bylo poháněno gravitačním odporem. Desku byste měli držet daleko od kyvadla, aby síla elektrického pole zůstala poměrně konstantní bez ohledu na proměnlivou výšku balónu během jeho oscilací.

Kyvadlo potřebuje sílu působící s konstantním směrem a velikostí, podmínku vztlak splňuje.-1.


Tyto otázky a odpovědi byly automaticky přeloženy z anglického jazyka.Původní obsah je k dispozici na webu stackexchange, za který děkujeme za licenci cc by-sa 3.0, pod kterou je distribuován.
Loading...