Platforma Siłowa PS-2141

Transkrypt

1 Instrukcja obsługi B Platforma Siłowa PS-2141 Zestaw zawiera Platforma Siłowa Numer części PS-2141 Wymagane wyposażenie Interfejs PASPORT 1 Zob. katalog PASCO lub Wyposażenie dodatkowe Zestaw uchwytów PS Kompatybilne interfejsy PASPORT to: Powerlink (PS-2001), Xplorer GLX (PS-2002), USB Link (PS- 2100) i inne. Więcej informacji w katalogu PASCO, na stronie lub skontaktuj się z działem wsparcia PASCO. Xplorer (PS-2000) z oprogramowaniem w wersji 1.14 lub starszej jest kompatybilny z Platformą po połączeniu z komputerem. Wprowadzenie Platforma Siłowa PASPORT, działająca z interfejsem PASPORT, stale mierzy siłę (do 4400 N lub 453 kg) przyłożoną przez osobę lub przedmiot. Platformę można wykorzystać do zmierzenia statycznej wagi stojącej na niej osoby, lub dynamicznej siły pionowej ruchu. Zakres i wytrzymałość Platformy pozwala na jej wykorzystanie każdemu, a jej czułość pozwala na zmierzenie mniejszych sił, np. ciężaru piłki. Postaw Platformę na podłodze lub blacie, aby zmierzyć siły pionowe, lub zamontuj ją na ścianie i zmierz siły poziome. Opcjonalny zestaw uchwytów umożliwia mierzenie zarówno siły ciągnięcia jak i pchania

2 Platforma Siłowa Jak to dz iała Jak to działa Umieszczony na Platformie przedmiot działa na nią z siłą ciężarem przedmiotu. Ponieważ Platforma się nie porusza (lub rusza się nieznacznie), przyłożona do niej siła zwiększa się proporcjonalnie do wagi przedmiotu. Każda z czterech podstawek Platformy połączona jest z siłomierzem, który pozwala elektronice urządzenia zmierzyć siłę. Platforma oblicza wynik na podstawie danych ze wszystkich podstawek. Siła mierzona jest zawsze, nawet kiedy nie jest stała, tzn. przykładana jest przez odbijającą się piłkę lub skaczącego człowieka. Poza podawaniem wyniku ze wszystkich źródeł, Platforma może wyświetlić osobne wyniki dla każdej podstawki. Instrukcje wyświetlania pomiarów znajdują się w dalszej części. Ustawienie sprzętu Na podłodze Ustaw Platformę na podłodze. Najlepiej działa na twardych powierzchniach, takich jak kafelki lub parkiet; na dywanach i wykładzinach Platforma będzie się ruszać przy nadepnięciu. Jeśli podłoże nie jest poziome, dopasuj ustawienie podstawek tak, aby Platforma stała stabilnie. Urządzenie powinno stać na wszystkich podstawkach, podłoże nie powinno dotykać jego spodu. Na ścianie Dopasuj podstawki Platformy Powieś Platformę na bocznych wieszakach W celu zmierzenia siły poziomej, zawieś Platformę na ścianie korzystając z wieszaków bocznych i kołków lub haków. Upewnij się, że Platforma opiera się o ścianę wszystkimi podstawkami. Za pomocą opcjonalnych uchwytów Przyczep uchwyty do gwintowanych blaszek na górze Platformy, lub zdemontuj podstawki i przyczep uchwyty do spodu urządzenia. Trzymając platformę za uchwyty i dociskając ją do ściany można zmierzyć poziomą siłę pchania. Jeśli dysponujesz dwiema platformami (z uchwytami zamontowanymi na spodzie), można je wykorzystać do demonstracji trzeciego prawa Newtona, dociskając je do siebie. Platforma mierzy tylko siły składowe działające na powierzchnię. Opcjonalne uchwyty doczepiane do spodu Platformy Przycisk tarowania Ustawienie interfejsu i programu Połącz przewód platformy do interfejsu PASPORT. Zielona dioda na boku urządzenia włączy się, informując, że jest ono zasilane i gotowe do zbierania danych. Wciśnij przycisk tarowania, aby wyzerować miernik Program DataStudio Jeśli korzystasz z komputera, uruchom DataStudio. Kliknij Start aby zacząć zbieranie danych. Platforma domyślnie pracuje w tempie 10 próbek/s, a wynik 2

3 Numer modelu: P S Bezpieczeństwo wyświetla w newtonach (N). Ustawienia te można zmienić w oknie Ustawienia doświadczenia. (Kliknij Ustawienia, aby otworzyć to okno) W oknie ustawień można też włączyć wyświetlanie osobnego wyniku dla każdego czujnika. Więcej instrukcji dotyczących programu DataStudio znajdziesz po wciśnięciu F1, otwierającego pomoc on-line. Xplorer GLX Jeśli korzystasz z Xplorera GLX bez komputera, wciśnij aby zacząć zbieranie danych. Platforma domyślnie zbiera dane w tempie 10 próbek na sekundę, a wyniki wyświetla w newtonach (N). Ustawienia te można zmienić na ekranie Czujniki. (Na Ekranie głównym wciśnij F4 aby otworzyć ekran Czujniki.) Na ekranie Czujniki można też włączyć wyświetlanie osobnego wyniku dla każdego czujnika. Więcej instrukcji dotyczących Xplorera GLX znajdziesz w Instrukcji obsługi GLX. Bezpieczeństwo Nauczycielu: Platforma Siłowa została zaprojektowana do wykorzystania przez uczniów pod kontrolą nauczyciela. Upewnij się, że wszyscy uczniowie rozumieją i stosują się do poniższych wytycznych Nie stawaj na, ani nie skacz ze stołów, krzeseł bądź innych nieodpowiednich przedmiotów. Przed wskoczeniem lub wejściem na platformę upewnij się, że nie poruszy się ona, oraz że wylądujesz całą stopą na platformie. Korzystaj z platformy z dala od przedmiotów mogących przeszkodzić w ruchu lub mogących spowodować obrażenia w razie upadku. Stosuj się do wszelkich zasad bezpieczeństwa. Sugerowane doświadczenia Czujnik Ruchu Czas zawieszenia Stań na platformie i skocz pionowo do góry. Spójrz na wykres siły do czasu, aby ustalić swój czas zawieszenia, czyli ile czasu spędziłeś/aś w powietrzu. Czy czas zależy wysokości skoku? Co jeszcze wpływa na czas zawieszenia? Dokładniejszy pomiar czasu uzyskasz przy wyższej częstotliwości próbkowania. Impuls pionowy Za pomocą czujnika ruchu (PS-2103) zmierz pozycję i prędkość czubka głowy podczas skoku na platformie. Jaka jest Twoja prędkość pionowa w momencie oderwania stóp od platformy? Przyjmując, że jesteś masą punktową, czy prędkość wpływa na zmierzony czas zawieszenia? Dlaczego nie? Stań na platformie i wciśnij przycisk tarowania. Ugnij kolana i wybij się płynnym ruchem. Obszar na wykresie pod linią siły do czasu, to impuls. 3

4 Platforma Siłowa Sugerowane doświadczenia Jak ma się impuls wyskoku do impulsu przy lądowaniu? Korzystając ze zmierzonego impulsu, oblicz swoją prędkość startową. Porównaj prędkość zmierzoną przez czujnik ruchu z prędkością obliczoną z impulsu. Dlaczego nie muszą być identyczne? Impuls poziomy Powieś Platformę na ścianie. Wciśnij przycisk tarowania. Usiądź na krześle na kółkach, wózku kinestetycznym (SE-8747) lub poduszkowcu (ME-9838) i odepchnij się od platformy. Zmierz impuls, czyli obszar pod linią wykresu siły do czasu. Jak, zaraz po odepchnięciu, ma się impuls do pędu? Za pomocą czujnika ruchu (PS- 2103) zmierz prędkość podczas odepchnięcia. Użyj tej prędkości do obliczenia pędu i porównaj go z impulsem. (Pamiętaj, żeby wziąć pod uwagę masę osoby oraz krzesła, wózka czy poduszkowca.) Rozkład sił (Jedna Platforma) Na wykresie wyświetl osobne pomiary siły dla każdego z czterech czujników. Stań na platformie i powoli przenoś ciężar z lewej nogi na prawą. Przenieś powoli ciężar z pięt na palce. Co dzieje się z siłami mierzonymi w czterech rogach platformy? Co dzieje się z sumą tych sił? Rozkład sił (Dwie Platformy) Postaw dwie platformy na podłodze i połóż na nich równolegle dwie deski (jak na obrazku), tworząc most. Wciśnij przyciski tarowania. Na deskach połóż ciężką piłkę. Ustaw czujnik ruchu (PS-2103) tak, by mierzył pozycję piłki. Włącz zbieranie danych i popchnij piłkę, aby potoczyła się wzdłuż desek. Jaki jest związek pozycji piłki z siłami mierzonymi przez każdą z platform? Jak zmienia się suma sił? Oblicz zmiany momentu sił przykładanych przez platformy do desek w miarę przetaczania się piłki. Jak zmienia się ich suma? 4

5 Numer modelu: P S Wymagane wyposażenie Platforma siłowa Interfejs PASPORT Numer części PS-2141 Zob. katalog PASCO lub Nadmuchiwana gumowa piłka Podczas tego doświadczenia upuścisz piłkę na Platformę i pozwolisz się jej odbijać. W Części 1 zbadasz związek impulsu pojedynczego odbicia z czasem między odbiciami. W Części 2 zaobserwujesz co dzieje się z piłką podczas kolejnych, coraz niższych, odbić, aż do spoczynku piłki na platformie. Teoria Odbijając się od platformy, piłka naprzemiennie przechodzi przez dwie fazy. Faza 1: kontakt piłki z platformą Faza zaczyna się kiedy opadająca piłka wchodzi w kontakt z platformą, a kończy kiedy piłka przestaje jej dotykać. W tym czasie platforma przykłada siłę (którą mierzy), co powoduje zmiany prędkości (V góra V dół) piłki, gdzie V dół (wartość ujemna) to prędkość piłki uderzającej w platformę, a V góra (dodatnia) to prędkość w momencie odbicia. Zmianę pędu ( P) piłki opisuje wzór (wz. 1) P = m(v góra V dół ) gdzie m oznacza masę piłki. Drugie Prawo Newtona, pędu równa jest impulsowi zderzenia. F = d P dt, mówi, że zmiana P = impuls = Fdt Tak więc P jest też równe obszarowi pod linią wykresu siły do czasu. Faza 2: spadek swobodny Faza spadku swobodnego zachodzi między odbiciami, kiedy piłka nie styka się z platformą. (Chociaż nazywa się to swobodnym spadkiem, w pierwszej połowie fazy piłka leci do góry.) Jeśli maksymalna wysokość piłki wynosi poniżej metra, opór powietrza jest znikomy i możemy powiedzieć, że w trakcie spadku swobodnego piłka stale przyspiesza. Jeśli piłka odbija się od platformy w czasie t 0 = 0, poruszając się (do góry) z prędkością V 0, możemy zapisać (wz. 2) V = V 0 gt gdzie V to prędkość w póżniejszym czasie t, a g = 9,8 m/s 2. Jeśli t jest równe czasowi, jaki piłka spędza w powietrzu między odbiciami ( czasowi zawieszenia ), V = V 0. To znaczy, że piłka uderza w platformę z taką samą prędkością, z jaką się od niej odbiła. Tak więc 5

6 Platforma Siłowa (wz. 3) V 0 = 1 -- gt 2 Mierząc czas zawieszenia przed i po zderzeniu, możemy obliczyć prędkości piłki tuż przed i tuż po zderzeniu. (Zauważ, że nie zakładamy, że będą one równe.). Wykorzystując te prędkości, możemy obliczyć zmianę pędu. Zmianę tę można porównać z impulsem obliczonym z obszaru pod linią wykresu siły do czasu. Współczynnik restytucji Współczynnik restytucji to stosunek prędkości piłki tuż przed i tuż po odbiciu (obie prędkości mierzone są jako wartości dodatnie). Stosunek ten jest jednakowy po każdym odbiciu. Wpływ zmniejszenia prędkości można zauważyć na podstawie coraz mniejszej maksymalnej wysokości piłki po każdym odbiciu. Platforma Siłowa pozwala również na zauważenie, że zmniejsza się też maksymalna siła każdego odbicia, a także czas między nimi. Doskonała piłka odbijałaby się od doskonałej powierzchni w nieskończoność, a maksymalna wysokość po każdym odbiciu dążyłaby asymptotycznie do zera. Prawdziwa piłka w końcu przestaje się odbijać, ale przez jakiś czas po lądowaniu oscyluje jeszcze po platformie, zanim zupełnie przestanie się ruszać. Część 1: Impuls i pęd Procedura 1. Ustaw częstotliwość próbkowania platformy na jak najwyższą (1000 lub 2000 Hz). 2. Wciśnij przycisk tarowania. 3. Trzymaj piłkę ok. 0,5 m nad platformą. Rozpocznij zbieranie danych i upuść piłkę. Pozwól jej odbić się trzy razy i zakończ zbieranie danych. Za każdym razem piłka powinna odbijać się od platformy w pobliżu jej środka. Jeśli odbiła się w innym miejscu, skasuj dane i powtórz próbę. Analiza 1. Zmierz czas zawieszenia pomiędzy pierwszymi drugim odbiciem (t przed ). 2. Oblicz prędkość piłki tuż przed drugim odbiciem. V dół = 1 - gt - 2 przed 3. Zmierz czas zawieszenia pomiędzy drugim i trzecim odbiciem (t po ). 4. Oblicz prędkość piłki tuż po drugim odbiciu. 1 gt = -- gt V góra 2 po 6

7 Numer modelu: P S Ustaw częstotliwość próbkowania platformy na 5 Hz. Wciśnij guzik tarowania. Umieść piłkę na platformie i zbieraj dane przez kilka sekund. Wykorzystaj zmierzoną siłę do obliczenia masy piłki (m). 6. Oblicz zmianę pędu piłki: P = m(v góra V dół ) Skoro piłka odbiła się od platformy z mniejszą prędkością niż się z nią zderzyła, dlaczego P jest dodatnie? 7. Na wykresie siły do czasu zbliż moment drugiego odbicia. Zmierz obszar pod krzywą w interwale czasu, zaczynając od zderzenia piłki z platformą do momentu odbicia to impuls. Porównaj tę wartość z odpowiedzią z kroku 6. Część 2: Współczynnik restytucji Procedura Powtórz procedurę z Części 1, jednak tym razem upuść piłkę z mniejszej wysokości i pozwól jej odbijać się dopóki sama się nie zatrzyma. Prawdopodobnie będziesz potrzebować kilku prób. Analiza 1. Jaka jest maksymalna siła zmierzona w czasie pierwszego odbicia? Jaki ma związek z masą piłki? Jaka jest siła zmierzona pomiędzy odbiciami, kiedy piłka znajduje się w powietrzu? 2. Zauważ, że maksymalna siła każdego odbicia jest mniejsza niż poprzedniego. Znajdź proste równanie w przybliżeniu odpowiadające temu spadkowi w całej serii odbić. 3. W pewnym momencie zauważysz na wykresie, że piłka przestała się odbijać, ale ciągle oscylowała po platformie. Jak rozpoznasz ten punkt? 4. Zbliż fragment wykresu, w którym piłka oscylowała, ale się nie odbijała. Opisz co dzieje się z minimalną siłą zmierzoną podczas każdego cyklu oscylacji. 5. Jaka jest końcowa siła zmierzona po zatrzymaniu się piłki na platformie? Jak wiąże się ona z masą piłki? Dalsze badania 1. Zmierz czas zawieszenia między kilkoma kolejnymi odbiciami i zapisz je w tabeli. Za pomocą Wzoru 3 oblicz prędkość startową piłki po każdym odbiciu. (Przyjmij, że prędkość startowa po jednym odbiciu jest równa prędkości uderzenia przed kolejnym.) Stwórz wykres tych prędkości i przy pomocy krzywej wykładniczej wyznacz współczynnik restytucji. 2. Zmierz impulsy co najmniej dwóch odbić. Czy możesz wyznaczyć współczynnik restytucji opierając się tylko na danych impulsu? (Podpowiedź: wykaż, że dla każdego odbicia P jest proporcjonalne do prędkości uderzenia.) 7

8 Platforma Siłowa Przykładowe dane i notatki nauczyciela Część 1 Piłka może się odbić trzy razy. Przed drugim odbiciem czas zawieszenia wynosi 0,832 s. = 1 --gt = 1 --(9,81 m/s 2 )(0,832 s) = ,08 m/s V dół 2 przed 2 Po drugim odbiciu czas zawieszenia wynosi 0,730 s. = --(9.81 m/s = 1gt --gt )(0.730 s) = 3.58 m/s V góra 2 po 2 Ciężar piłki równy jest is 5,7 4 N; tak więc m = 0,585 kg, a P = = m(v góra V dół ) (0,585 kg )(3,58 m/s + 4,08 m/s) = 4,48 N s Przy drugim odbiciu impuls obliczony na podstawie obszaru pod wykresem siły do czasu wynosi 4,54 N s, około 1% odchylenia od P obliczonego powyżej. Obszar pod krzywą to przybliżona wartość impulsu, jako że wykres pokazuje jedynie siłę wywartą przez platformę, a nie całkowitą siłę piłki (włączając siłe grawitacji). Dokładniejszy pomiar impulsu można uzyskać tarując platformę po położeniu na niej piłki mierzona siła będzie równa sile całkowitej, jednak w praktyce różnica będzie niewielka. Część 2 W tym przypadku maksymalna siła to około 40x ciężar piłki (wyniki zależą od typu piłki i początkowej wysokości). Kiedy piłka jest w powietrzu, mierzona siła wynosi zero. Maksymalna siła odbicia maleje w postępie geometrycznym. Kiedy piłka przestaje się odbijać oscyluje jeszcze na platformie. Najpierw siła minimalna spada prawie do zera, wskazując, że piłka prawie odbija się od platformy. W miarę spadku amplitudy, minimalna siła każdego cyklu zbliża się do ciężaru piłki. Kiedy piłka się zatrzymuje, zmierzona siła równa jest jej ciężarowi, czyli mg. 8

9 Nr modelu: P S Specyfikacja Specyfikacja Zakres Rozdzielczość Maksymalna częstotliwość próbkowania Funkcja zerowania (Tara) Wymiary platformy Masa Wytrzymałość na przeciążenie 1100 N do N ( 113 kg do +453 kg) 0,1 N 2000 Hz dla Xplorera GLX, 1000 Hz dla innych interfejsów PASPORT Przycisk 35 cm 35 cm 4 kg Do 6600 N (680 kg; 1700 N lub 170 kg na czujnik) Wsparcie techniczne Pomoc w sprawie dowolnego produktu PASCO: Adres: Tel.: PASCO scientific Foothills Blvd. Roseville, CA (świat) (USA) Fax: (916) Internet: support@pasco.com Ograniczona gwarancja Warunki gwarancji znajdują się w katalogu PASCO. Prawa autorskie Instrukcja obsługi Platformy Siłowej PASCO scientific B Force Platform Instruction objęta jest zastrzeżonymi prawami autorskimi. Instytucje non-profit oraz edukacyjne mają prawo do kopiowania dowolnych fragmentów tej instrukcji wyłącznie do celów laboratoryjnych i edukacyjnych. Sprzedaż kopii zabroniona. Kopiowanie instrukcji do innych celów bez zgody PASCO scientific zabronione. Znaki handlowe PASCO, PASCO scientific, DataStudio, PASPORT, Xplorer oraz Xplorer GLX SPARKvue są zarejestrowanymi znakami handlowymi będącymi własnością PASCO scientific w Stanach Zjednoczonych i/lub innych krajach. Więcej informacji znaleźć można na 9