4 - שולמן ציוד לימודי

‫בס"ד‬
‫מטרת הניסוי‬
‫בניסוי זה נחקור את הקשר שבין מתקף הפועל על גוף במהלך‬
‫התנגשות לבין שינוי התנע שלו כתוצאה מהמתקף‪:‬‬
‫⃗𝑣∆ ∙ 𝑚 = 𝑡𝑑 ∙ ⃗𝐹 �‬
‫כמו‪-‬כן‪ ,‬נבדוק האם בהתנגשות נשמרת האנרגיה )התנגשות אלסטית לחלוטין(‪.‬‬
‫תיאור הניסוי‬
‫בניסוי זה עגלת הדינמיקה תתנגש התנגשות אלסטית בקפיץ המחובר לחיישן כוח‪ .‬באמצעות חיישן‬
‫הכוח נוכל לדגום בקצב גבוה את הכוח כפונקציה של הזמן במהלך ההתנגשות הקצרה‪ ,‬ובעזרת כלי‬
‫הניתוח של התוכנה לחשב את השטח תחת הגרף‪ ,‬שהוא אינטגרל הכוח= מתקף‪ .‬באמצעות חיישן‬
‫התנועה נוכל למדוד את מהירת העגלה רגע לפני ורגע אחרי ההתנגשות‪ ,‬ולחשב את השינוי בתנע‪.‬‬
‫ציוד נדרש‬
‫ ‪ 200PS2100‬מתאם ‪(x2) USB‬‬‫ ‪ 200PS2103‬חיישן תנועה‬‫ ‪ 200PS2104‬חיישן כוח‬‫ ‪ 200ME9431‬מערכת דינמיקה של פסקו‬‫חלקי מערכת הדינמיקה הנדרשים‪ :‬מסילה‪ ,‬עגלת דינמיקה‪ ,‬משקולת ‪ 250‬גר'‪ ,‬תפסנית מוט‪.‬‬
‫ ‪ 200ME8973‬מתאם התנגשויות לחיישן הכוח‪ +‬פגושי קפיץ‪.‬‬‫‪ -‬כן מעבדה‪ +‬מוט או ג'ק מעבדה‬
‫הרכבת מערכת הניסוי‬
‫‪-‬‬
‫מחברים את מעצור המתאם לחיישן הכוח לקצה מסילה‪ ,‬כך‬
‫שהבורג המובנה פונה לכיוון המסילה‪.‬‬
‫‪-‬‬
‫מחברים את חיישן הכוח למתאם באמצעות הבורג )יש‬
‫להסיר את הבורג של החיישן כדי לפנות את חור ההברגה(‪.‬‬
‫ראה תמונה מס' ‪ 1‬משמאל‪.‬‬
‫תמונה מס'‪1‬‬
‫‪-‬‬
‫מגביהים את צד המסילה הנגדי באמצעות כן המעבדה‪ +‬תפסנית מוט )ראה תמונה מס' ‪ (2‬או ג'ק מעבדה‪.‬‬
‫‪-‬‬
‫את חיישן התנועה מחברים לקצה המסילה המוגבה‪ .‬יש לכוון את המתג בראש החיישן לאלומה צרה )מסומן‬
‫ב"עגלה"(‪ ,‬ולוודא שפני החיישן מקבילים לעגלה באמצעות המד‪-‬זווית בצד החיישן )יש לכוון ל‪.(0°-‬‬
‫‪-‬‬
‫מחברים את הקפיץ הרך‪ ,‬הכלול באביזר ההתנגשויות של חיישן הכוח‪ ,‬לחיישן הכוח במקום הוו‪.‬‬
‫ראה תמונה מס' ‪ -2‬תיאור מערכת הניסוי‪.‬‬
‫‪-‬‬
‫מחברים את החיישנים למחשב באמצעות מתאמי ‪.USB‬‬
‫תמונה מס' ‪2‬‬
‫© "שולמן‪ -‬ציוד לימודי" רח' התעשייה ‪ 4‬ראש‪-‬העין טל'‪ 03-5605536 :‬דוא"ל‪shulman@isp.net.il :‬‬
‫‪1‬‬
‫בס"ד‬
‫מהלך הניסוי‬
‫‪ .1‬מדוד את מסת העגלה ללא משקולת‪ .M= ___________ :‬רשום ערך זה בטבלה‪ ,‬בשורת "עגלה ללא משקולת"‪.‬‬
‫‪ .2‬פתח את קובץ ‪ capstone‬של הניסוי‪" :‬מתקף ותנע"‪.‬‬
‫בקובץ זה קצב הדגימה של חיישן התנועה מוגדר ל‪ ,100Hz -‬וקצב הדגימה של חיישן הכוח מוגדר ל‪.500Hz-‬‬
‫בדף הניסוי יש גרף המציג את מהירות העגלה והכוח כפונקציה של הזמן‪.‬‬
‫‪ .3‬גרור את העגלה לנקודת התחלת התנועה‪ ,‬שהיא במרחק של כ‪ 15-‬ס"מ מחיישן התנועה )הקפד על נקודה קבועה‬
‫לשחרור העגלה כדי שנקודת השחרור תהיה נתון קבוע במדידות החוזרות(‪.‬‬
‫‪ .4‬לפני תחילת כל מדידה יש לאפס את חיישן הכוח‪ :‬לחץ מספר שניות על כפתור האיפוס שעל‪-‬גבי החיישן )‪.(zero‬‬
‫‪ .5‬לחץ על כפתור ההקלטה בתוכנה‪-‬‬
‫‪ ,‬ושחרר את העגלה )ממהירות "‪.("0‬‬
‫‪ .6‬לאחר ההתנגשות עם הקפיץ‪ ,‬עצור את המדידה בלחיצה על‬
‫‪.‬‬
‫‪ .7‬מדידת מהירות העגלה לפני ואחרי ההתנגשות‪:‬‬
‫‪-‬‬
‫הקלק עם עכבר שמאלי על חלקו העליון של הגרף )החלק עם גרף המהירות(‪.‬‬
‫‪-‬‬
‫לחץ על כפתור‬
‫‪-‬‬
‫לחץ על כפתור‬
‫בסרגל הכלים של הגרף להצגת גרף מדידת )‪ v(t‬בצורה אופטימלית‪.‬‬
‫בסרגל הכלים של הגרף‪ ,‬והתאם את גודל תיבת התחום ומיקומה‪ ,‬כך שיודגשו בצהוב‬
‫הנקודות הרלוונטיות של מדידת המהירות מסמוך להתנגשות ועד לאחריה )ראה תמונה מס' ‪.(3‬‬
‫תמונה מס' ‪3‬‬
‫להתמקדות הגרף סביב הקטע שסימנת‪.‬‬
‫‪-‬‬
‫לחץ שנית על כפתור‬
‫‪-‬‬
‫לחץ על כפתור "קורא הקואורדינטות"‬
‫‪ ,‬ובאמצעות העכבר גרור את סמן הכלי שמופיע על הגרף לנקודת‬
‫מדידת המהירות רגע לפני ההתנגשות )ראה תמונה מס' ‪ -4‬גרף ימני(‪ .‬רשום את המהירות בטבלה‪.‬‬
‫‪-‬‬
‫גרור את סמן "קורא הקואורדינטות" לנקודת מדידת המהירות רגע אחרי ההתנגשות )ראה תמונה מס' ‪-4‬גרף‬
‫שמאלי(‪ .‬רשום את המהירות בטבלה‪.‬‬
‫תמונה מס' ‪4‬‬
‫‪-‬‬
‫חשב מנתוני הטבלה את התנע לפני ההתנגשות‪ ,‬לאחריו ואת ההפרש‪ ,‬ומלא את הטבלה‪.‬‬
‫© "שולמן‪ -‬ציוד לימודי" רח' התעשייה ‪ 4‬ראש‪-‬העין טל'‪ 03-5605536 :‬דוא"ל‪shulman@isp.net.il :‬‬
‫‪2‬‬
‫בס"ד‬
‫עגלה ללא משקולת‬
‫מסת‬
‫העגלה‬
‫)‪(kg‬‬
‫מהירות לפני‬
‫ההתנגשות‬
‫)‪(m/s‬‬
‫תנע לפני‬
‫ההתנגשות‬
‫)‪(kg*m/s‬‬
‫מהירות אחרי‬
‫ההתנגשות‬
‫)‪(m/s‬‬
‫תנע אחרי‬
‫ההתנגשות‬
‫)‪(kg*m/s‬‬
‫שינוי בתנע‬
‫)‪(kg*m/s‬‬
‫מתקף‬
‫)‪(N*s‬‬
‫עגלה עם משקולת‬
‫עגלה עם משקולת‬
‫מתנגשת בקפיץ‬
‫הקשה‬
‫‪ .8‬מדידת המתקף שמפעיל קפיץ חיישן הכוח‪:‬‬
‫‬‫‪-‬‬
‫הקלק עם עכבר שמאלי על חלקו התחתון של הגרף )החלק עם גרף הכוח(‪.‬‬
‫לחץ על כפתור‬
‫בסרגל הכלים של הגרף‪ ,‬והתאם את גודל תיבת התחום ומיקומה‪ ,‬כך שיודגשו בצהוב‬
‫הנקודות של מדידת הכוח במהלך ההתנגשות בלבד )ראה תמונה מס' ‪.(5‬‬
‫תמונה מס' ‪5‬‬
‫‪-‬‬
‫לחישוב השטח תחת גרף הכוח‪ -‬לחץ על כפתור חישוב השטח תחת הגרף‪-‬‬
‫‪ ,‬בסרגל הכלים של הגרף‪,‬‬
‫והשטח הכלוא תחת נקודות הגרף שסימנת יופיע‪ ,‬ויסומן על גרף המדידה‪.‬‬
‫‪-‬‬
‫רשום בטבלה את המתקף בהתנגשות‪.‬‬
‫‪ .9‬צלם את הדף עם התוצאות וניתוחן בלחיצה על המצלמה‬
‫‪.‬‬
‫‪ .10‬במדידה הבאה נעמיס על העגלה משקולת שתכפיל את מסתה‪ ,‬ונשחרר מאותה נקודה כמו במדידה הקודמת‪.‬‬
‫שער ונמק את השערותיך‪:‬‬
‫‪ ‬מהירות העגלה רגע לפני ההתנגשות תגדל‪/‬תקטן‪/‬לא תשתנה‪.‬‬
‫‪ ‬השינוי בתנע העגלה כתוצאה מההתנגשות יהיה גדול יותר‪/‬קטן יותר‪/‬לא ישתנה‪.‬‬
‫‪ ‬המתקף שמפעיל קפיץ החיישן על העגלה בהתנגשות יגדל‪/‬יקטן‪/‬לא ישתנה‪.‬‬
‫‪ .11‬העמס על העגלה משקולת מלבנית‪ ,‬ומדוד את מסת העגלה עם המשקולת‪.M= ___________ :‬‬
‫‪ .12‬רשום ערך זה בטבלה‪ ,‬בשורת "עגלה עם משקולת"‪.‬‬
‫‪ .13‬חזור על המדידה וניתוח התוצאות‪ ,‬המתוארים בסעיפים ‪.3-9‬‬
‫‪ .14‬במדידה הבאה נשאיר את המשקולת על העגלה‪ ,‬ונחליף את הקפיץ המחובר לחיישן בקפיץ קשיח יותר‪.‬‬
‫שער ונמק את השערותיך )השוואה עם המדידה הקודמת שבה יש לעגלה את אותה מסה(‪:‬‬
‫‪ ‬מהירות העגלה רגע לפני ההתנגשות תגדל‪/‬תקטן‪/‬לא תשתנה‪.‬‬
‫‪ ‬השינוי בתנע העגלה כתוצאה מההתנגשות יהיה גדול יותר‪/‬קטן יותר‪/‬לא ישתנה‪.‬‬
‫‪ ‬המתקף שמפעיל קפיץ החיישן על העגלה בהתנגשות יגדל‪/‬יקטן‪/‬לא ישתנה‪.‬‬
‫© "שולמן‪ -‬ציוד לימודי" רח' התעשייה ‪ 4‬ראש‪-‬העין טל'‪ 03-5605536 :‬דוא"ל‪shulman@isp.net.il :‬‬
‫‪3‬‬
‫בס"ד‬
‫‪ .15‬רשום את ערך המסה בטבלה בשורת "עגלה עם משקולת מתנגשת בקפיץ קשיח יותר"‪.‬‬
‫‪ .16‬חזור על המדידה וניתוח התוצאות‪ ,‬המתוארים בסעיפים ‪.3-9‬‬
‫עיבוד התוצאות ומסקנות‬
‫‪.1‬‬
‫הבט על גרף הכוח‪ .‬ממה נגרמות התנודות במדידה לאחר ההתנגשות‪ ,‬ומדוע לא חישבת את המתקף עבור פרק‬
‫הזמן של תנודות אלו?‬
‫‪.2‬‬
‫השווה בין הגרפים של הכוח בשלושת המדידות ועמוד על הדומה והשונה מבחינת‪ -‬צורת הגרף‪ ,‬הערך המקסימלי‬
‫של הכוח‪ ,‬משך זמן ההתנגשות וגודל המתקף‪ .‬נמק‪.‬‬
‫‪.3‬‬
‫כמסקנה מהמדידות שלך‪ ,‬הסבר את חשיבותה של כרית האוויר ברכב בזמן התאונה‪ ,‬והשפעת האלסטיות שלה‪.‬‬
‫‪.4‬‬
‫האם ההתנגשות עם הקפיץ אלסטית לחלוטין או לא? נמק והשווה בין הקפיץ הרך והקשה‪.‬‬
‫‪.5‬‬
‫במידה ואכן ההתנגשות אלסטית לחלוטין‪ -‬הסבר כיצד המהירות בגודלה אינה משתנה כמעט לפני ואחרי‬
‫ההתנגשות ואילו שינוי בתנע קיים?‬
‫‪ .6‬בדוק עבור ‪ 3‬המדידות האם מתקיים השוויון בין המתקף הפועל העגלה לשינוי בתנע‪.‬‬
‫© "שולמן‪ -‬ציוד לימודי" רח' התעשייה ‪ 4‬ראש‪-‬העין טל'‪ 03-5605536 :‬דוא"ל‪shulman@isp.net.il :‬‬
‫‪4‬‬