Pomiar prędkości
Doświadczalnie, w naszym laboratorium fizycznym możemy użyć jednej z kilku metod do pomiaru prędkości obiektów.
Stoperwatch i Meterstick:
Najprostszym sposobem pomiaru prędkości jest użycie stopera i drążka pomiarowego. O ile ktoś nie jest nieostrożny, błąd ludzki rzadko może być przypisany do błędów w eksperymentach. Jednak zegarek jest tylko tak dobry jak człowiek, który go kontroluje. W najlepszym przypadku ludzki czas reakcji jest ułamkiem sekundy (1/5) i już samo to może spowodować błąd.
Fotograty i mierniki
Możemy wyeliminować czynnik błędu ludzkiego poprzez użycie fotogratu. W fotokomórce, gdy nasz poruszający się obiekt blokuje wiązkę światła, uruchamia nasz licznik czasu. Kiedy blokuje drugą bramkę w może zatrzymać timer. Niektóre fotokomórki są samodzielnymi urządzeniami, inne będą integrować się z komputerem. Możesz również ustawić fotogates, aby mierzyć krótszy czas, że wiązka jest zablokowana, jak obiekt o danym rozmiarze fizycznym blokuje wiązkę.
Tickertape i Meterstick
Maszyna tickertape emituje bardzo przerażający dźwięk. Posiada mały metalowy rysik, który porusza się w górę i w dół z częstotliwością 60 cykli/sekundę. Częstotliwość ta wynika z częstotliwości prądu zmiennego, który zasila urządzenie. Długi kawałek taśmy klejącej jest przymocowany do poruszającego się obiektu i przeciągany przez urządzenie w miarę jak obiekt się porusza. Pomiędzy wibrującym rysikiem a taśmą klejącą umieszcza się kawałek kalki technicznej. Za każdym razem, gdy rysik odbija się od podłoża, pozostawia na papierze węglową kropkę. Po wykonaniu eksperymentu można zmierzyć odległość między tymi kropkami za pomocą prostego miernika. Czas pomiędzy kropkami to po prostu 1/60 sekundy. Warto zauważyć, że im szybciej obiekt się porusza, tym większa jest odległość między kropkami.
Ultrasoniczne czujniki ruchu są podobne do pistoletów radarowych używanych przez moich policjantów do pomiaru prędkości samochodów na autostradzie. Główna różnica polega na tym, że czujniki te wykorzystują fale ultradźwiękowe. Są to fale dźwiękowe o wysokości tak wysokiej, że znajdują się poza zasięgiem ludzkiego słuchu. Czujnik emituje fale ultradźwiękowe w skupionym stożku. Gdy fale odbijają się od czujnika, fala dźwiękowa jest zbierana. Ze względu na przesunięcie dopplerowskie możemy dokładnie zmierzyć prędkość obiektu.
Analiza obrazu wideo: Lata temu mogliśmy robić zdjęcia przy użyciu światła stroboskopowego, aby dokonać pomiarów kinematycznych. Jeśli spojrzeć na zdjęcia stroboskopowe, można wyraźnie zobaczyć, jak odstępy między obrazami zwiększają się wraz z prędkością.
Dzisiaj możemy zbierać materiał wideo za pomocą kamery internetowej lub telefonu komórkowego. Ponieważ film zbierany jest z prędkością 30 klatek/sekundę znamy interwał czasowy na zdjęciu. Jeśli znamy zależność pomiędzy rozmiarem piksela a odległością, możemy łatwo znaleźć prędkość. Można to osiągnąć, jeśli znamy rozmiar obiektu na filmie. Można też umieścić na filmie metrowy drążek jako skalę odniesienia. Należy jednak uważać na wpływ paralaksy na obraz wideo. Jeśli obiekt znajduje się dalej (lub pod innym kątem), będzie wydawał się mniejszy. Dyskretną metodą byłoby użycie LoggerPro lub VideoPhysics firmy Vernier Software. W tym oprogramowaniu klikasz na pozycję obiektu, który próbujesz przeanalizować podczas każdej klatki.