HET EXPERIMENT VAN GALILEI MET HET HELLEND VLAK



Vergelijkbare documenten
Naam: Succes! 1 Geef bij elke berekening het antwoord met de juiste nauwkeurigheid en met de juiste. Antwoorden: Eenheid. 0,6 : 2 s s.

Kromlijnige bewegingen. Verticale valbeweging. m s. Herhaling Vallen. Vrije val. Oefenopgave 1

Laat een schrift en een iets kleiner blad naast elkaar van gelijke hoogte valllen. Waarneming: Het blad papier valt langzamer dan het schrift

Dynamische krachtwerking

Mechanica - Sterkteleer - HWTK PROEFTOETS- AT1 - OPGAVEN en UITWERKINGEN 1/10

4.1.3 Bepalen van de resulterende kracht Tweede wet van Newton Dynamische krachtwerking

= = = 6. methode-b: het oppervlak onder de snelheid-tijd-grafiek is een maat voor de afgelegde weg.

UITWERKINGEN selectie KeCo-opgaven mechanica (beweging) 1

1 Vlaamse Wiskunde Olympiade: eerste ronde

- 1 - E pot. 2 de graad 2 de jaar (1uur) oefeningen energie. Opgave 1:

De eenparig veranderlijke beweging:

Natuurkunde LJ2P4 - Beweging Oefenmateriaal compleet

11 Bewegingsleer (kinematica)

De MEETKUNDE BOEK 2 Over de natuur van de kromme lijnen.

4. Maak een tekening:

Gedempt Massa-veersysteem

Basisvaardigheden - Inhoud

9 Stugheid en sterkte van materialen.

Eerste graadsfuncties

Hoofdstuk 6: De Laplace transformatie

Toegestane informatiebronnen en hulpmiddelen: rekenmachine, pen, geodriehoek / liniaal.

Opgave 1.2. Theorie: Blz. 37/38

Langere vraag over de theorie

Eerste graadsfuncties

Kracht en versnelling. 59. Opwaartse kracht. 61. Beweging met wrijvingskracht. 62

Examen mechanica: oefeningen

Standaardisatie en z-scores

c 0. 1, t c = 0, 0 t < π = 1, π t < 2π f(t) = = 1, 2π t < 3π = 0, t 3π.

QUARK_6-Thema-01-kracht_en_snelheidsverandering Blz. 1

AAN DE SLAG Arbeid verricht door de wrijvingskracht (thema 1)

Belastingfunctie voor keuze maatgevende golfcondities

Calculus I, 19/10/2015


Relativiteitstheorie met de computer

Hoofdstuk 4: Veranderingen. 4.1 Stijgen, dalen en intervallen

Wiskundige Technieken 1 Uitwerkingen Hertentamen 23 december 2014

11 Junior Wiskunde Olympiade : tweede ronde

Hoofdstuk 7: Entropie

Uitwerkingen Tentamen Natuurkunde-1

2dejaar 2degraad (1uur) Hoofdstuk 2 : De eenparige beweging

Uitwerkingen opgaven Elektrische velden. DNA onderzoek met elektroforese

m = = ρ ρ V V V V R4 m in kg en V in m 3 hoort bij ( coherent) ρ in kg/m 3 m in g en V in ml hoort bij ( coherent) ρ in g/ml

jaar: 1989 nummer: 17

Verslag practicum composieten Kevin Kanters & Bastiaan de Jager. Inhoudsopgave

Postulaten van Newton

IJkingstoets september 2015: statistisch rapport

IJkingstoets september 2015: statistisch rapport

Uitwerkingen van de opgaven uit Pi

2. Vind een configuratie voor een lens-geleiding die aan de specificaties kan voldoen. Geef deze configuratie weer in voldoende schetsen.

Voortgangstoets NAT 5 VWO 45 min. Week 49 SUCCES!!!

Gemeente Amsterdam Gemeenteraad Gemeenteblad Voordracht voor de raadsvergadering van <datum onbekend>

d τ (t) dt = 1 voor alle τ 0.

Groep 13 CASE SSV DEEL 2 EE4. Bas Jan Renders Mathijs Tielens Jitse Meulenijzer Alexander Blockhuys Casper Antonio Jan Van Hemelen

IJkingstoets Wiskunde-Informatica-Fysica 29 juni Nummer vragenreeks: 1

De Afgeleide. ) = 2y. 2 = 4y = 4.(2x+1)

Vergelijkingen met één onbekende

QUANTUMFYSICA QUANTUMTOESTANDEN. Naam: Klas: Datum:

STOOMTURBINES - A - PROEFTOETS- AT01 - OPGAVEN EN UITWERKINGEN.doc 1/13

Uitwerkingen oefeningen hoofdstuk 3

Practicum hoogtemeting 3 e klas havo/vwo

Prof. Margriet Van Bael STUDENTNR:... Conceptuele Natuurkunde met technische toepassingen. Deel OEFENINGEN

Module 5 Uitwerkingen van de opdrachten

IJkingstoets september 2015: statistisch rapport

2.1 Gelijkvormige driehoeken[1]

Van slinger. tot seismograaf

1.3 Rekenen met pijlen

TECHNISCHE UNIVERSITEIT DELFT Faculteit der Civiele Techniek en Geowetenschappen

Taak na blok 1 startles 8

Snelle glijbanen. Masterclass VWO-leerlingen juni Emiel van Elderen en Joost de Groot NWD Faculteit EWI, Toegepaste Wiskunde

Krachten (4VWO)

NATUURKUNDE OLYMPIADE EINDRONDE 2013 PRAKTIKUMTOETS

1 e jaar 2 e graad (2uur)

1 Vlaamse Wiskunde Olympiade : eerste ronde

Ijkingstoets industrieel ingenieur UGent/VUB, september 2015

Interferentie door Elektronen

Kansfunctie bij observatie van toevalsproces

Gravitatie en kosmologie

d τ (t) dt = 1 voor alle τ 0.

PARADOXEN 2 Dr. Luc Gheysens

Voorkennis wiskunde voor Biologie, Chemie, Geografie

Wiskundige Technieken 1 Uitwerkingen Tentamen 4 november 2013

WISKUNDE-ESTAFETTE Minuten voor 20 opgaven. Het totaal aantal te behalen punten is 500

Basisvaardigheden algebra. Willem van Ravenstein Den Haag

Meten en experimenteren

Hoofdstuk 3 Kracht en beweging. Gemaakt als toevoeging op methode Natuurkunde Overal

Uitwerkingen voorbeeldtentamen 2 Wiskunde B 2018

Rekentijger - Groep 7 Tips bij werkboekje A

Eindexamen vwo natuurkunde pilot I

IJkingstoets Wiskunde-Informatica-Fysica 1 juli 2015 Oplossingen

Lesbrief Hellingproef

Elastische Botsing 1 ELASTISCHE BOTSING

Over informatie in het algemeen en de getijden in het bijzonder (door Gerard Hoogeland)

. Dan geldt P(B) = a d. 3 8

Een bal wegschoppen Een veer indrukken en/of uitrekken Een lat ombuigen Een wagentjes voorduwen

Lees onderstaande goed door. Je niet houden aan de instructies heeft direct gevolgen voor de beoordeling.

2 De OMRON Walking style X gebruiken 2.1 Waarschuwingen 3 Overzicht Houder Opmerking:

Een kogel die van een helling afrolt, ondervindt een constante versnelling. Deze versnelling kan berekend worden met de formule:

Tentamen Mechanica ( )

A. B. C. D. Opgave 3. In een groot vierkant is een kleiner vierkant getekend. Wat is de oppervlakte van het kleine vierkant? A. B. C. D.

Theory Dutch (Netherlands) Lees eerst de algemene instructies uit de aparte enveloppe voordat je begint met deze opgave.

Transcriptie:

HET EXPERIMENT VAN GALILEI MET HET HELLEND VLAK Robert E. Jonckheere INLEIDING Het i genoegzaa bekend dat Galilei proeven deed et ballen rollend op een hellend vlak en daarbij aantoonde dat onder invloed van de zwaartekracht een eenparig vernelde beweging onttaat: de afgelegde wegen verhouden zich al de kwadraten der looptijden. In 03 bouwde Françoi Thij, een technich zeer begaafde vrijwilliger van onze vereniging, een oderne proefoptelling die toelaat deze proeven van Galilei te herhalen en teven daaruit de waarde van de valvernelling "g" te bepalen. BOUW Het hellend vlak wordt gevord door twee evenwijdige rail, waarvan de helling binnen zekere grenzen intelbaar i en waarop naar keuze divere ballen kunnen rollen. Bovenaan wordt de bal logelaten et een beginnelheid die praktich nul i. Onderaan wordt de bal opgevangen en dan teruggevoerd naar de beginpoitie, zodat de proef eerdere alen kan herhaald worden. Op negen gelijkatig verdeelde aftanden wordt de looptijd elektronich geeten in aantallen tijddelen van /50 econde vanaf het ogenblik van lolaten van de bal. Deze aantallen worden getoond op nuerieke diplay. EXPLOITATIE VAN DE RESULTATEN De exploitatie van de etingen gaf aanvankelijk aanleiding tot verkeerde reultaten. Dit had geenzin te aken et de bouw van de proefoptelling, ook niet et de onverijdelijke eetfouten, aar wel et de foute interpretatie van het concept van deze proef. Deze bijdrage hoopt ter zake de nodige verduidelijking te verchaffen. Men ag de bal niet bechouwen al een tar lichaa dat zich verplaatt over het hellend vlak, zonder eree rekening te houden dat het lichaa ook rolt: er vindt du tegelijkertijd tranlatie en rotatie van het bewegend lichaa plaat en het dynaich gedrag daarvan i totaal verchillend van het gedrag van een tar lichaa dat van boven naar beneden glijdt over het hellend vlak. Een glijdend tar lichaa wordt enkel gekenerkt door zijn aa, die en geconcentreerd ag denken in zijn aaiddelpunt. De rollende bal heeft ook een aa aar wordt teven gekenerkt door zijn aatraagheidoent ten opzichte van zijn rotatiea.

Wat i dit aatraagheidoent? Figuur Bechouw een oneindig klein aadeeltje d ergen binnenin de bal en gelegen op een aftand Z van de rotatiea Ox. De bal heeft een iddelpunt O en een traal R. Het traagheidoent van dat aadeeltje ten opzichte van de rotatiea Ox i dan: Z. d (NB: het punt telt een product voor). O nu het aatraagheidoent van de bal te vinden, oet en de o aken van al deze producten uitgetrekt over de gehele aa van die bal, waarbij en dient rekening te houden et het feit dat die bal eventueel uit divere aterialen i aengeteld en dat de bal ofwel aief of hol kan zijn. Een dergelijke o noet en in de wikunde een integraal. Men kan zich in dit tadiu van de uitleg reed inbeelden dat b.v. ballen et eenzelfde aa eventueel toch een verchillend aatraagheidoent hebben en dan ook een verchillend dynaich gedrag vertonen. Maatraagheidoent van een hoogene aieve bal We gaan dit traagheidoent berekenen ten opzichte van de rotatiea Ox. Figuur

We verdelen daartoe de bol et traal R in (oneindig) dunne chijven et traal r en een dikte dx, loodrecht op de rotatiea Ox. Elke cirkelvorige chijf wordt verdeeld in ectoren, et een (oneindig) kleine hoek dγ. Uit een dergelijke ector naen we een egent et afetingen dx, dz en z.dγ. Het volue van dit egent i: dv = dx. dz. z.dγ De aa ervan i: d = ρ. dv al ρ = aadichtheid. Het aatraagheidoent t.o.v. de rotatiea Ox i dj = Z. d = ρ. dx. z 3. dz. dγ De waarde van J wordt bekoen door drieaal te integreren waarbij γ varieert tuen O en π, z varieert tuen O en r, en x varieert tuen -R en +R, en waarbij r = R - x Na al deze bewerkingen vindt en uiteindelijk: J 8 π ρ 5 5 =.. R () We kunnen deze waarde van het traagheidoent ook nog uitdrukken in functie van de aa van de aieve bol: M = π. ρ. R 3 3 Al we de waarde van de aadichtheid hieruit halen en ubtitueren in () bekoen we: J = 0,MR () al waarde van het aatraagheidoent ten opzichte van de rotatiea door zijn aaiddelpunt O voor een hoogene aieve bol et traal R en aa M. Dit i een elegante en zeer eenvoudige uitdrukking. 3

De bewegingvergelijkingen van de rollende bal Figuur 3 Een aieve bal et aa M en traal R rolt onder invloed van het zwaartekrachtveld (g) van een helling die een hoek α aakt et de horizontaal. Het aaiddelpunt O verplaatt zich volgen Ox, evenwijdig et het hellend vlak. De krachten die aangrijpen op de bal zijn: G = M. g en een zekere wrijvingkracht F. Het gewicht G heeft een coponent G. coα die de bal tegen het hellend vlak aandrukt en verder geen effect heeft op de tranlatiebeweging van de bal. De andere coponent van G, naelijk G. inα doet de bal naar beneden rollen. Er werkt ook een zekere kracht F in het contactpunt C op de bal, doch over de grootte ervan kan en niet zeggen, odat wij onderteld hebben dat de bal rolt, zonder te glijden. We paen nu de wet van Newton toe, naelijk aa M aal vernelling i gelijk aan de o van de krachten die de tranlatievernelling veroorzaken volgen Ox: M. = G. in α - F et: G = M. g (3) () De bal gaat rollen rond zijn iddelpunt O, waarbij de rotatiehoek γ i, en du kunnen we een bewegingvergelijking voor de rotatie optellen: het aatraagheidoent J aal de hoekvernelling i gelijk aan de o der oenten, die de rotatie veroorzaken: J. =F.R (5) Noteer dat het oent van het gewicht G ten opzichte van het aaiddelpunt nul i.

NB: en zijn de tweede afgeleiden naar de tijd van rep. γ en du de tranlatievernelling rep. rotatievernelling van de bal. Bij het optellen van de bewegingvergelijkingen hebben wij zowel de luchtweertand al de rolweertand buiten bechouwing gelaten. Uit (5) bekoen we F: F J =. γ& & (6) R We brengen (6) en () in (3) en bekoen: J M. & x = M.g.inα -.& γ (7) R Het verband tuen tranlatienelheid x& en de hoeknelheid γ& i bekend, aangezien de bal zuiver rolt: x& = γ&.r (8) waaruit door afleiden naar de tijd volgt: x& = γ&.r & (9) De waarde van uit (9) brengen we in (7): J M. x& = M. g. inα -. x& (0) R waaruit na herchikking en deling door M volgt: J +. x = g.inα & () MR Du de rollende bal krijgt een tranlatievernelling lang het hellend vlak gegeven door: x& = + J MR. g.inα () En al de bal hoogeen en aief i geldt () zoal hogerop gezien: J = 0,MR 5

en du bedraagt de tranlatievernelling: x & =.g.inα (3), waarin et luchtweertand en rolweertand geen rekening werd gehouden. Voor een aa die naar beneden glijdt over een hellend vlak vindt en: x & = f ( ).g. inα tanα indien er rekening wordt gehouden et een wrijvingcoëfficiënt f. Houdt en daar geen rekening ee, dan i: & x =g.inα We kunnen nu ook intuïtief aanvoelen waaro bij de experienten et het hellend vlak de voorkeur gegeven wordt aan rollende ballen i.p.v. aan een glijdende aa. Inderdaad, rolweertand heeft veel inder effect dan wrijving. Het i niet voor niet dat een auto en een fiet wielen hebben. Theoretiche opbouw van de experienten Wij erken op dat de tranlatievernelling (3) voor een gegeven helling een contante i, die we eenvoudigheidhalve zullen noeen: a = g. inα (), De door de bal afgelegde weg wordt bekoen door (3) tweeaal te integreren: a.t + v.t + = 0 De experientele optelling i zodanig ingericht dat de beginvoorwaarden nul zijn: v = 0 en = 0 0 0 zodat: = a.t = Ct (5) 6

waarbij: C = contante Deze uitdrukking geldt voor elk eetpunt. Voor het eerte eetpunt geldt du: = a.t = Ct waaruit: t = C Voor het vierde eetpunt geldt: = a.t = Ct waaruit: t = C Doch: =. Du: t =. t En evenzo voor het negende eetpunt: 9 = 9. waaruit: Du: t 9 = 3. t t9 = 3 C Al wij bijgevolg de looptijden voor het eerte, vierde en negende eetpunt noteren en vattellen dat t =. t en t 9 = 3. t (6) dan hebben we genoegzaa aangetoond dat de beweging van de bal veroorzaakt door de vernelling g van het zwaarteveld wel degelijk eenparig verneld i. O de nuerieke waarde van de vernelling g te vinden gaan we uit van () geldig voor een hoogene, aieve bal:, g =.a (7) inα et a = (8) t 7

Deze uitdrukking kunnen we op elk eetpunt toepaen. Wij erken op dat er gedeeld wordt door in α. De nuerieke waarde daarvan hangt af van onze kenni van de hoek, de hoek die het hellend vlak aakt et de horizon. De waarde van i klein gekozen, zo rond graden. Laten wij du een nagaan hoe terk de inu varieert in de buurt van : in 0 = 0,7365 in = 0,908 in = 0,079 in 3 = 0,9 in = 0,9 Het valt op dat per graad de waarde vanin α et grofweg een kleine 0 % varieert! Dat i heel veel. Dat betekent dat we een zeer zorgvuldige eting van α zullen oeten verrichten. Metingen De etingen werden verricht et behulp van een grote aieve kunttof bal. Enkel de looptijden voor het eerte en het vierde en het negende werden opgenoen, tot vieraal toe in elk eetpunt, zodat geiddelden konden geaakt worden. De getallen tellen het aantal pulen van /50 econde voor. te eetpunt e eetpunt 9e eetpunt = 0, = 0,96 =. 9 =,6 = 9. 8 57 87 7 55 86 7 56 86 8 57 87 geiddelde looptijd geiddelde looptijd geiddelde looptijd t = 7,5 pulen t = 56,5 pulen =,0 t t 9 = 86,5 pulen = 3, t Het e eetpunt geeft een ooi reultaat op % na, het 9e eetpunt een fout van iet inder dan 5 %. Het feit dat de looptijd telken iet groter uitvalt dan de theoretiche waarde i naar alle waarchijnlijkheid te wijten aan de divere weertanden, die we verwaarlood hebben in onze berekeningen, waardoor de bal du iet langer onderweg i. Daaree i du (6) aangetoond, zoal voorzien. O nu de valvernelling uit deze reultaten te kunnen berekenen oet de hoek zo precie ogelijk geeten worden. 8

We hebben dit gedaan door een groot tuk hard karton et een recht afgeneden zijde, verticaal op het hellend vlak te plaaten in de richting van de grootte helling. Met een waterpa werd daarop een horizontale rechte getrokken, en et behulp van een winkelhaak een verticale lijn, zodat een grote rechthoekige driehoek bekoen wordt. De zijden ervan werden zorgvuldig opgeeten: rechthoekzijden: 30 en 69, hypotenua 38. De hellinghoek i begrepen tuen de hypotenua en de lange rechthoekzijde. Op al deze etingen i een zekere fout geaakt, en du leek het gepat o een geiddelde te aken et behulp van drie trigonoetriche functie, waarin telken twee van de drie etingen voorkoen: 69 tan α = = 0,6 waaruit: α = ' 30 30 co α = = 0,975 waaruit: α = 5' 38 69 in α = = 0,5 waaruit: α 3 = 5' 38 Uit de drie waarden van berekenen we het geiddelde al zijnde de eet waarchijnlijke waarde: α = 7' in α =0,56 en daaree zullen we verder werken. Uit (7) en (8) bekoen we voor de valvernelling: g =,8 t.inα Deze uitdrukking i geldig in elk eetpunt. Ook hier zullen we weer geiddelden berekenen: inderdaad, we hebben etingen verricht in elk van de 3 eetpunten, du etingen: Uit 7,5 = 0, en t = ec reulteert: g = 9,850 50 9

Uit Uit 56,5 = 0,96 en t = ec reulteert: g = 9,378 50 86,5 3 =,6 en t 3 = ec reulteert g 3 = 0,3037 50 De geiddelde waarde uit de etingen bedraagt: g = 9,8 Beluit Wij hebben aangetoond dat en de proef et de rollende bal niet ag verwarren et het eenvoudige geval van een aa glijdend op een hellend vlak en vervolgen de lechte reultaten toechrijven aan zg. onverijdelijke contructiefouten, eetfouten en rekenfouten. Men oet beginnen et het concept van de proef correct te begrijpen en dan de beweging van de rollende bal in vergelijking te brengen, waarbij hogere wikunde en theoretiche echanica onibaar blijken te zijn. In de tijd van Galilei wa deze nog niet bechikbaar. Men oet wachten op Newton en vele andere wetenchapper. Het eindreultaat van deze eerder ingewikkelde bechrijving van het experient i echter geakkelijk te gebruiken. Wij hebben daaree aangetoond dat de nieuwe proefoptelling van MIRA op zeer eenvoudige wijze toelaat vat te tellen dat de beweging inderdaad eenparig verneld i, zoal Galileï reed beweerde. Verder kunnen we de lokale waarde van de valvernelling "g" bepalen et een zeer beperkte experientele fout. Deze nieuwe didactiche proefoptelling i geakkelijk in het gebruik, geeft goede reultaten en i daardoor een waardevolle aanwint voor Volkterrenwacht MIRA. 0