The Cart and the Bumper — Impulse Is the Area

Mechanik Mittel Kostenlos VR · AR
The Cart and the Bumper — Impulse Is the Area – Mechanik
The Cart and the Bumper — Impulse Is the Area – Mechanik

Ein Abschussgerät schiebt einen Fahrbahnwagen über eine waagerechte Schiene gegen einen Federpuffer an einem Kraftsensor, während ein Bewegungssensor am anderen Ende die Geschwindigkeit des Wagens aufzeichnet. Der Wagen prallt zurück und rollt davon; mit Abspielen läuft der Versuch einmal ab, und die Zeitleiste lässt sich zu jedem Augenblick ziehen. Vier Schieberegler stellen die Masse des Wagens m, die Abschussgeschwindigkeit vi, die Steifigkeit des Puffers k und seine Stoßzahl e ein; Start ist bei 0,50 kg, +0,60 m/s, 600 N/m und 0,80. Geschwindigkeits- und Kraftdiagramm teilen sich eine Zeitachse und werden bis zum gezeigten Augenblick gezeichnet, und jede ausprobierte Einstellung wird in einer Tabelle festgehalten: vi und vf aus den flachen Abschnitten des Geschwindigkeitsdiagramms, die Kontaktzeit Δt, Δp = m(vf − vi) und die Fläche J unter dem Kraftstoß.

So benutzt du diese Simulation

Worauf du achten solltest

Die Physik dahinter

Nehmen Sie die Richtung zum Puffer als positiv. Der Puffer gibt den Anteil e der Geschwindigkeit zurück — er entspannt sich entlang einer steileren Geraden, als er zusammengedrückt wird —, also fährt der Wagen mit vf = −e·vi zurück. Bei den Startwerten ist vf = −0,8 × 0,60 = −0,48 m/s und Δp = m(vf − vi) = 0,50 × (−0,48 − 0,60) = −0,54 N s. Der Kraftsensor wird 1000-mal pro Sekunde abgelesen, und die Fläche unter seinem Kraftverlauf, der Kraftstoß J = ∫F dt, ergibt ebenfalls −0,54 N s: negativ, weil der Puffer den Wagen zum Bewegungssensor zurückschiebt. Die Steifigkeit ändert nur die Form des Kraftverlaufs. Der Kontakt dauert (π/2)(1 + e)√(m/k), und die Kraft erreicht höchstens vi√(mk): 0,082 s und 10,4 N bei 600 N/m, 0,20 s und 4,2 N bei 100 N/m. Längerer Kontakt, kleinere Kraft, gleiche Fläche — J = FΔt = Δp. Ein schwererer Wagen oder ein schnellerer Abschuss ändern Δp, und die Fläche folgt genau; ein stärker federnder Puffer (größeres e) ändert den Impuls stärker, denn Δp = −m·vi(1 + e).

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