Meten van snelheid
Experimenteel kunnen we in ons natuurkundig laboratorium een van verschillende methoden gebruiken om de snelheid van voorwerpen te meten.
Stopwatch en meterstok:
De eenvoudigste manier om de snelheid te meten is met behulp van een stopwatch en een meterstok. Tenzij men onzorgvuldig is, kunnen menselijke fouten zelden worden toegeschreven aan fouten bij experimenten. Maar een stopwatch is slechts zo goed als de mens die hem bedient. De menselijke reactietijd is in het beste geval een fractie van een seconde (1/5e) en dit alleen al kan een fout veroorzaken.
Fotogaten en meetstok
We kunnen de menselijke foutfactor elimineren door een fotogaat te gebruiken. In een fotogate wordt de timer gestart wanneer een bewegend object een lichtstraal blokkeert. Wanneer het een tweede poort blokkeert, kan het de timer stoppen. Sommige fotogates zijn op zichzelf staande apparaten, andere kunnen worden geïntegreerd met een computer. U kunt photogates ook zo instellen dat zij de kortere tijd meten dat de lichtstraal wordt geblokkeerd als een voorwerp van een bepaalde fysieke grootte de lichtstraal blokkeert.
Tickertape en Meterstick
Een tickertape machine maakt een heel griezelig geluid. Het heeft een kleine metalen naald die op en neer beweegt met 60 cycli per seconde. Deze frequentie is het gevolg van de frequentie van de wisselstroom die het apparaat aandrijft. Een lang stuk tikkerband wordt aan het bewegende voorwerp bevestigd en door de machine getrokken terwijl het voorwerp beweegt. Een stuk carbonpapier wordt tussen de trillende naald en de ticker tape geplaatst. Telkens wanneer de naald naar beneden stuitert, laat hij een koolstofstipje achter op het papier. De afstand tussen deze stippen kan worden gemeten met een eenvoudige meter nadat het experiment is uitgevoerd. De tijd tussen de stippen is eenvoudig 1/60e van een seconde. Het is inzichtelijk dat hoe sneller een voorwerp beweegt, hoe groter de afstand tussen de stippen is.
Ultrasone bewegingssensoren zijn vergelijkbaar met de radargeweren die mijn politieagenten gebruiken om de snelheid van auto’s op de snelweg te meten. Het grote verschil is dat deze sensoren ultrasone golven gebruiken. Dit zijn geluidsgolven met een toonhoogte die zo hoog is dat ze buiten het bereik van het menselijk gehoor liggen. De sensor zendt de ultrasone golven uit in een gerichte kegel. Wanneer de golven terugkaatsen naar de sensor, wordt de geluidsgolf opgevangen. Door de dopplerverschuiving kunnen we de snelheid van het object nauwkeurig meten.
Videobeeldanalyse: Jaren geleden konden we foto’s maken met een stroboscooplamp om kinematische metingen te verrichten. Als u stroboscoopfoto’s bekijkt, kunt u duidelijk zien hoe de afstand tussen de beelden toeneemt met de snelheid.
Heden ten dage kunnen we videobeelden verzamelen met een webcam of met uw mobiele telefoon. Aangezien de video met 30 beelden per seconde wordt opgenomen, kennen we het tijdsinterval van de foto. Als we de relatie tussen pixelgrootte en afstand kennen, kunnen we gemakkelijk de snelheid vinden. Dit kan worden bereikt als we de grootte van een voorwerp in de video kennen. Of men kan een meter stok in de video plaatsen als referentie schaal. Men moet echter oppassen voor de effecten van parallax op het videobeeld. Als een voorwerp verder weg is (of uit een hoek staat), zal het kleiner lijken. Een discrete methode zou zijn om LoggerPro of VideoPhysics van Vernier Software te gebruiken. In deze software klik je op de positie van het object dat je probeert te analyseren tijdens elk frame.