Εικονικό πείραμα: Μηχανική ενέργεια στο εκκρεμές (με αντίσταση αέρα και τριβές)

---

Το εικονικό πείραμα αποτελείται από:

• Ένα σώμα που είναι δεμένο στο κάτω άκρο ενός νήματος, που το πάνω άκρο του είναι στερεωμένο.
  (Το σώμα ταλαντώνεται όταν αφεθεί ελεύθερο και η διάταξη ονομάζεται εκκρεμές).
• Έναν χάρακα 120cm.
• Μία οριζόντια γραμμή που δείχνει την κατώτερη θέση που μπορεί να φθάσει το κέντρο του σώματος και ονομάζεται επίπεδο μηδενικής δυναμικής ενέργειας.
• Τα πλήκτρα "έναρξη", "παύση" και "επαναφορά", για την εκτέλεση του πειράματος.
• Τα "πλήκτρα αυξομείωσης" που μεταβάλλουν το μήκος του νήματος και την αρχική γωνία εκτροπής του.

Με το εικονικό πείραμα μπορείς:

• Να επιλέξεις την αρχική γωνία εκτροπής του εκκρεμούς, τη μάζα του σώματος και το μήκος του.
• Να μετρήσεις το ύψος του σώματος από το επίπεδο μηδενικής δυναμικής ενέργειας όταν το εκκρεμές είναι ακίνητο για να προσδιορίσεις την αρχική δυναμική του ενέργεια.
• Να το αφήσεις να κάνει την 1η αιώρηση, να μετρήσεις το ύψος στο οποίο φθάνει (από το επίπεδο μηδενικής δυναμικής ενέργειας), και να υπολογίσεις την δυναμική του ενέργεια.
• Να υπολογίσεις τη δυναμική ενέργεια στο τέλος της 2ης, 3ης, 4ης και 5ης αιώρησης.

Σε αυτή τη διάταξη θεωρούμε ότι υπάρχουν τριβές και αντιστάσεις από τον αέρα.

Οδηγίες εκτέλεσης του εικονικού πειράματος

• Επίλεξε μία αρχική γωνία εκτροπής από τα αντίστοιχα πλήκτρα "αυξομείωσης αρχικής γωνίας εκτροπής".
• Επίλεξε μία μάζα m για το σώμα που θα τεθεί σε ταλάντωση, από τα πλήκτρα "αυξομείωσης μάζας".
• Επίλεξε το μήκος του εκκρεμούς L, από τα πλήκτρα "αυξομείωσης μήκους".
• Με τον χάρακα, μέτρησε το ύψος του κέντρου του σώματος από το επίπεδο μηδενικής δυναμικής ενέργειας. Υπολόγισε τη βαρυτική δυναμική του ενέργεια και τη μηχανική του ενέργεια τη στιγμή που αφήνεται ελεύθερο.
• Επίλεξε το πλήκτρο "έναρξη". Τη στιγμή t=0, υπολόγισε την μηχανική ενέργεια του σώματος.
• Στη συνέχεια, παρατήρησε την κίνηση του εκκρεμούς και επίλεξε το πλήκτρο "παύση" όταν το εκκρεμές εκτελέσει μία ταλάντωση. Με τον χάρακα, μέτρησε το ύψος του κέντρου του βαριδίου, από το επίπεδο μηδενικής δυναμικής ενέργειας. Υπολόγισε τη βαρυτική δυναμική ενέργεια του βαριδίου σε αυτή τη θέση και την μηχανική του ενέργεια.
• Με το πλήκτρο "έναρξη" συνέχισε την κίνηση του εκκρεμούς και με την ίδια διαδικασία υπολόγισε την δυναμική και τη μηχανική ενέργεια του βαριδίου όταν έχει εκτελέσει τη 2η, τη 3η, τη 4η και τη 5η ταλάντωση.
Σημείωση: Την χρονική στιγμή t=0 το εκκρεμές "αφήνεται" να εκτελέσει ταλάντωση. Αυτό σημαίνει ότι εκείνη τη χρονική στιγμή δεν έχει ταχύτητα και ότι η κινητική του ενέργεια είναι μηδέν.
Το εκκρεμές, τη χρονική στιγμή που ολοκληρώνεται η 1η ταλάντωση, παραμένει ακίνητο, οπότε η κινητική του ενέργεια είναι ξανά μηδέν. Το ίδιο συμβαίνει στο τέλος κάθε ταλάντωσης.

Το εικονικό πείραμα λειτουργεί και με το πληκτρολόγιο ως εξής:

• Όταν ανοίγει η προσομοίωση, γίνεται πλοήγηση με το πλήκτρο "TAB" στην "καρτέλα συντελεστών" και στην "οθόνη βοήθειας". Τα πλήκτρα ενεργοποιούνται με το "Enter", και η πλοήγηση στις καρτέλες γίνεται ξανά με το "TAB".
• Έπειτα η πλοήγηση συνεχίζεται μόνο στην προσομοίωση ως εξής:
• Με το πλήκτρο "TAB" επιλέγεις τα πλήκτρα της προσομοίωσης ("αύξηση γωνίας εκτροπής", "μείωση γωνίας εκτροπής", "αύξηση μάζας m", "μείωση μάζας m", "αύξηση μήκους εκκρεμούς L", "μείωση μήκους εκκρεμούς L", "επαναφορά", "έναρξη", "παύση"), τον "χάρακα", και τα πλήκτρα του template ("ανανέωση", "προβολή πλήρους οθόνης").
• Τα πλήκτρα της προσομοίωσης, αφού τα επιλέξεις με το "TAB", λειτουργούν με το πλήκτρο "space" (κενό) του πληκτρολογίου.
• Τον χάρακα, αφού τα επιλέξεις με το "TAB", τον μετακινείς με τα βέλη του πληκτρολογίου. Αν επιλέξεις ταυτόχρονα το πλήκτρο "Shift", η μετακίνηση γίνεται με μικρότερο βήμα.
• Τα πλήκτρα του template, αφού τα επιλέξεις με το "TAB", λειτουργούν με το πλήκτρο "space" (κενό) του πληκτρολογίου.
• Η σειρά ενεργοποίησης των πλήκτρων/αντικειμένων στην προσομοίωση είναι η εξής:
  "προβολή πλήρους οθόνης" → "αύξηση γωνίας εκτροπής" → "μείωση γωνίας εκτροπής" → "αύξηση μάζας" m" → "μείωση μάζας" m" → "αύξηση μήκους εκκρεμούς" L" → "μείωση μήκους εκκρεμούς" L" → "έναρξη" → "παύση" → "χάρακας" → "επαναφορά" → "ανανέωση template", και επαναλαμβάνεται η ίδια σειρά.

ΦΥΛΛΟ ΕΡΓΑΣΙΑΣ – ΕΙΚΟΝΙΚΟ ΠΕΙΡΑΜΑ: ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΣΤΟ ΕΚΚΡΕΜΕΣ (ΜΕ ΑΝΤΙΣΤΑΣΗ ΑΕΡΑ ΚΑΙ ΤΡΙΒΕΣ)

Ομάδα 2-3 μαθητών:
Υπεύθυνος καθηγητής:
Ημερομηνία:

Εισαγωγή

Το περιβάλλον του εικονικού εργαστηρίου παρουσιάζεται στην παρακάτω εικόνα και αποτελείται από:

• Ένα σώμα που είναι δεμένο σε ένα νήμα και μπορεί να ταλαντώνεται όταν αφεθεί ελεύθερο (διάταξη εκκρεμούς).
• Έναν κατακόρυφο χάρακα 120 cm.

• Μία οριζόντια μπλε γραμμή που δείχνει το επίπεδο μηδενικής δυναμικής ενέργειας.

Επίσης υπάρχουν:

• Τα "πλήκτρα αυξομείωσης" που μεταβάλλουν το μήκος του νήματος, τη μάζα του σώματος και την αρχική γωνία εκτροπής.
• Τα πλήκτρα για την έναρξη και την εξέλιξη του πειράματος.

Σκοπός του εικονικού περάματος

• Να παρατηρήσεις την κίνηση του εκκρεμούς όταν υπάρχουν τριβές και αντίσταση αέρα.
• Να προσδιορίσεις την μηχανική ενέργεια του εκκρεμούς μετά από την εκτέλεση κάθε ταλάντωσης και να διαπιστώσεις αν αυτή παραμένει σταθερή ή μεταβάλλεται.

Εικονικό Πείραμα

Συμπεράσματα