Mätning av hastighet
I vårt fysiklaboratorium kan vi experimentellt använda oss av flera olika metoder för att mäta föremåls hastighet.
Stoppklocka och mätstav:
Det enklaste sättet att mäta hastigheten är att använda en stoppklocka och en mätstav. Om man inte är slarvig kan mänskliga fel sällan tillskrivas fel i experiment. Ett stoppur är dock bara lika bra som den människa som kontrollerar det. I bästa fall är människans reaktionstid en bråkdel av en sekund (1/5) och enbart detta kan skapa ett fel.
Fotogater och mätstock
Vi kan eliminera den mänskliga felfaktorn genom att använda en fotogata. När vårt rörliga objekt blockerar en ljusstråle i en fotogate utlöser det starten av vår timer. När det blockerar en andra grind i kan timern stoppas. Vissa fotogater är fristående enheter, andra integreras med en dator. Du kan också ställa in fotogater så att de mäter den kortare tid som strålen blockeras när ett föremål av en viss fysisk storlek blockerar strålen.
Tickertape och metersticka
En tickertape-maskin avger ett mycket läskigt ljud. Den har en liten stylus av metall som stöter upp och ner med 60 cykler/sekund. Denna frekvens beror på frekvensen av den växelströmselektricitet som driver apparaten. En lång bit tickertejp fästs vid det rörliga föremålet och dras genom maskinen när föremålet rör sig. En bit karbonpapper placeras mellan den vibrerande stylus och tickerbandet. Varje gång stylten studsar ner lämnar den en kolpunkt på pappret. Avståndet mellan dessa punkter kan mätas med en enkel metersticka efter att experimentet har utförts. Tiden mellan punkterna är helt enkelt 1/60:e av en sekund. Det är insiktsfullt att notera att ju snabbare ett föremål rör sig, desto större är avståndet mellan punkterna.
Ultrasoniska rörelsesensorer liknar de radarpistoler som används mina poliser för att mäta bilars hastighet på motorvägen. Den stora skillnaden är att dessa sensorer använder ultraljudsvågor. Detta är ljudvågor med en tonhöjd som är så hög att de ligger utanför det mänskliga hörselns räckvidd. Sensorn avger ultraljudsvågorna i en fokuserad kon. När vågorna studsar tillbaka till sensorn samlas ljudvågen in. På grund av dopplerförskjutningen kan vi exakt mäta föremålets hastighet.
Videobildanalys: För flera år sedan kunde vi ta fotografier med hjälp av ett stroboskopljus för att göra kinematiska mätningar. Om du tittar på stroboskopfoton kan du tydligt se hur avståndet mellan bilderna ökar med hastigheten.
I dag kan vi samla in videofilmer med en webbkamera eller din mobiltelefon. Eftersom videon samlas in med 30 bilder/sekund känner vi till tidsintervallet i fotot. Om vi känner till förhållandet mellan pixelstorlek och avstånd kan vi enkelt hitta hastigheten. Detta kan åstadkommas om vi känner till storleken på ett objekt i videon. Eller så kan en meterstock placeras i videon som referensskala. Man måste dock vara försiktig med parallaxens effekter på videobilden. Om ett objekt är längre bort (eller har en annan vinkel) kommer det att verka mindre. En diskret metod skulle vara att använda LoggerPro eller VideoPhysics från Vernier Software. I denna programvara klickar du på positionen för det objekt som du försöker analysera under varje bildruta.