Gary Garber’s Blog

Measuring Velocity

Experimentally, in our physics laboratory we can use any of several methods to measure of objects.

ストップウォッチとメータースティック:

速度を測る最も簡単な方法はストップウォッチとメジャースティック(meter stick)を用いることである。 よほど不注意でない限り、人為的な誤差が実験の誤差になることはほとんどない。 しかし、ストップウォッチはそれを操作する人間の腕次第でどうにでもなる。

フォトゲートとメータスティック

フォトゲートを使えば、ヒューマンエラーの要因を排除することができる。 フォトゲートでは、移動する物体が光線をブロックすると、それがタイマーの開始のトリガーとなります。 2つ目のゲートで遮断されると、タイマーを停止させることができます。 フォトゲートには、独立した装置もあれば、コンピュータと統合した装置もあります。

チクタクテープとメータースティック

チクタクテープの機械は、非常に不気味な音を出します。 小さな金属製のスタイラスがあり、これが60サイクル/秒で上下に揺れます。 この周波数は、この装置の動力源である交流電気の周波数によるものです。 動くものに長いティッカーテープを取り付け、動くものに合わせて機械内を引っ張ります。 振動するスタイラスとティッカーテープの間にカーボン紙を挟みます。 スタイラスが弾むたびに、紙の上にカーボンの点が残る。 この点の間の距離は、実験後に簡単なメートル棒で測定することができます。 ドット間の時間は、単純に1/60秒である。 物体が速く動けば動くほど、ドット間の間隔が広がることは洞察に値します。

超音波モーションセンサは、警察官が高速道路で車の速度を測定するために使うレーダーガンに似ています。 大きな違いは、このセンサーが超音波を使用していることです。 超音波とは、人間の可聴域を超える高さの音波のことです。 センサーは超音波を円錐状に放射します。 超音波がセンサーに跳ね返ってくると、その音波を集めます。 ドップラーシフトのため、物体の速度を正確に測定できます。

ビデオ画像解析。 一昔前までは、ストロボを使って写真を撮れば、運動学的な測定ができました。 ストロボスコープの写真を見ると、速度に応じて画像の間隔が広がっていることがよくわかります。

現在では、Webカメラや携帯電話でビデオ映像を集めることができます。 動画は30フレーム/秒で収集されるため、写真の時間間隔がわかります。 画素の大きさと距離の関係が分かれば、簡単に速度を求めることができます。 これは、ビデオに写っている物体の大きさが分かれば実現できる。 あるいは、映像の中にメートル棒を置き、基準尺とすることもできる。 ただし、ビデオ映像の視差の影響には注意が必要です。 物体が遠くにある場合(あるいは角度がずれている場合)、小さく見えることになります。 Vernier Software社のLoggerProまたはVideoPhysicsを使用するのが、控えめな方法でしょう。 このソフトウェアでは、各フレームで分析しようとするオブジェクトの位置をクリックします

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