Дослідження умов рівноваги тіла під дією кількох сил

Автор Чернецький Ігор
Завідувач відділу створення навчально-тематичних систем знань НЦ «Мала академія наук України», кандидат педагогічних наук, голова Всеукраїнської громадської організації «Асоціація учителів фізики “Шлях освіти – ХХІ”». Наукові інтереси: моделювання освітніх та навчальних середовищ загальноосвітніх і позашкільних навчальних закладів з урахуванням трендів розвитку сучасних засобів навчання.

Теоретична частина

Загальні відомості

Рис. 1. Зовнішній вигляд вікна програми Tracker

У цій роботі зазначене програмне забезпечення буде використовуватися для вимірювання плечей дії сил. Головним завданням роботи є порівняння моментів сил, прикладених до тіла, та перевірка справедливості правила моментів.

Хід роботи

 Частина 1. Отримання відеозапису 

1. Установіть вісь кріплення фігури на магнітну поверхню та розташуйте динамометри у площині обертання.
2. Оберіть пристрій, яким ви будете виконувати відеозйомку. З’ясуйте якість об’єктива для подальшого врахування можливих спотворень. Використайте стандартну частоту зйомки відео (25-30 кадрів на секунду).
3. Установіть пристрій так, щоб динамометри і тіло потрапляли в кадр і в процесі зйомки пристрій не рухався.
4. Розпочніть запис відео. Переміщуйте динамометри по площині і зупиняйте їх на короткий час. Зробіть ще декілька записів для можливості вибору найкращого варіанту. У разі відсутності можливості відеозапису завантажте готове відео з ресурсу.

Частина 2. Опрацювання відео

5. Завантажте відео у програму Tracker. Завантаження здійснюється з використанням кнопки Open у верхньому меню програми. Завантаження можна здійснити також шляхом «перетягування» файлу запису у вікно програми або через меню File → Import → Video. Якщо програма не дозволила завантажити відео, необхідно дібрати інший його формат, що здійснюється шляхом використання редакторів відео.

Рис. 2. Вигляд вікна програми Tracker після завантаження відео 

6. Використовуючи кнопки керування в нижній частині вікна з відео, перегляньте запис. Якщо об’єктив пристрою для зйомки дає спотворення зображення, використайте відповідний фільтр відео.

7. Зупиніть запис відео на моменті першого положення динамометрів.
8. Оберіть у верхній стрічці кнопку Show, hide or create calibration tools  та в меню – New → Calibration Stick. Програма запропонує, утримуючи клавішу Shift, обрати на зображенні першу та другу точку для одиничного відрізка. На відео з’явиться відрізок. Над відрізком необхідно в цифровому полі ввести значення довжини цього відрізка в метричній системі. Кінці відрізка можна вільно переміщувати «перетягуванням» по зображенню. Оберіть повторно кнопку Show, hide or create calibration tools . Одиничний відрізок зникне, але програма запам’ятає його положення та довжину.

Рис. 3. Вигляд вікна програми Tracker після встановлення одиничного відрізка

9. Оберіть у верхній стрічці кнопку Show or hide the coordinate axes . На відеозаписі з’являться осі координат. Осі координат можуть повертатися. Додатний напрямок на осі визначається короткою рискою на ній. Систему координат можна переміщувати, перетягуючи її центр. Саме система координат буде одним із робочих інструментів для виконання цієї роботи.
10. Оскільки плечем сили є найкоротша відстань від осі обертання до прямої, вздовж якої діє сила, необхідно перемістити та повернути систему координат так, щоб одна з осей проходила через вісь, а інша збігалася з напрямком дії сили. Напрямок дії сили визначається напрямком на динамометр. У нашому прикладі це положення нитки, що з’єднує тіло і динамометр.
11. Для вимірювання плеча сили у верхньому меню програми оберіть Track → New → Measuring Tools → Tape Measure. На екрані з’явиться двонаправлений відрізок. Сумістіть перетяганням кінці цього відрізка з віссю обертання і початком координат.
12. Числове значення відстані l та значення сили F, яку вказує динамометр, занесіть до таблиці.
13. Повторіть попередні дії для другого динамометра.
14. Програйте відеозапис до наступного фіксованого положення тіла та динамометрів.
15. Повторіть виміри та записи для цього випадку.
16. Повторюйте ці дії для всіх випадків, зафіксованих на відео.

Рис. 4. Вигляд вікна програми Tracker після накладання системи координат та використання вимірювального відрізка

Аналіз даних

1. Перейдіть до розрахунків моментів сил, що діють у кожному випадку, зафіксованому на відео. Розрахунки занесіть до таблиці. Врахуйте, що момент сили, яка обертає тіло за годинниковою стрілкою, вважається додатним, а проти – від’ємним.

M = Fl

2. Зробіть висновок стосовно виконання правила моментів для проаналізованих випадків.

 Таблиця результатів