Arhiv Značk: fizika

Utripanje

Objavljeno ,

Vsota nihanj z enakima amplitudama in podobnima frekvencama da utripanje. Opazimo ga lahko, če sklopimo nihali s podobnima nihajnima časoma ali če frekvenco enega kraka glasbenih vilic nekoliko spremenimo, pa tudi pri uglaševanju strun kitare ali kakega drugega glasbenega instrumenta.

Teslin generator trifazne napetosti

Objavljeno ,

Nikola Tesla je ta generator izumil leta 1882, leta 1888 pa ga je patentiral. Generator je osnova današnjega električnega omrežja, saj je za razliko od enosmernega toka omogočil prenos električne napetosti na velike razdalje.


Za ta generator je značilno, da se zaradi vrtečega se magneta v vsaki od treh tuljav inducira sinusna napetost, le napetosti so zamaknjene za

    \[ 120^o \]

, kar je pač posledica razporeditve tuljav.  Zato so premaknjeni tudi tokovi skozi tuljave, torej

 

    \[ I_R=I_o\sin{(\omega t-120^o)} \]

    \[ I_S=I_o\sin{(\omega t)} \]

    \[ I_T=I_o\sin{(\omega t+120^o)} \]

Vsi tokovi se srečajo v ničelnem vodniku. Če si dijak tretjega letnika in se spoznaš na trigonometrijo, izračunaj, kolikšen tok teče po ničelnem vodniku, pa zveš, od kod temu vodniku ime!

Trifazni tok uporablja industrija ter gospodinjstva, ki imajo večje porabnike. Vir trifazne napetosti v gospodinjstvu prepoznamo po posebni vričnici, ki ima 5 priključkov. Za  običajna gospodinjstva zadoščajo samo trije priključki –  ena od faz, ničelni vodnik in ozemljitev.

Nikola Tesla je delal poskuse tudi s polifaznimi sistemi – okrog vrtečega se magneta je namestil še več tuljav.

Simulacija gibanja satelita v VisualPythonu

Objavljeno ,

Poljubno gibanje lahko simuliramo tako, da upoštevamo naslednje korake:

  1. izberemo majhen časovni interval dt,
  2. podamo komponente krajevnega vektorja \vec{r}=(x,y) telesa  na začetku gibanja in komponente njegove hitrosti \vec{v}=(v_x,v_y) takrat,
  3. zapišemo za telo 2. Newtonov zakon po komponentah in iz izrazimo komponenti pospeška,
  4. uporabimo definicjo pospeška in iz nje izračunamo novi komponenti hitrosti, v_x\leftarrow v_x+a_x\cdot dt,\quad v_y\leftarrow v_y+a_y\cdot dt
  5. uporabimo definicijo hitrosti in iz nje določimo komponenti nove lege telesa  x\leftarrow x+v_x\cdot dt,\quad y\leftarrow y+v_y\cdot dt,
  6. narišemo novo lego,
  7. pravkar izračunani lego in hitrost proglasimo za stari, nato pa ponavljamo korake 3-7.

Tako simulacijo lahko izvedemo samo s kalkulatorjem, točke rišemo npr. na mmilimetrski papir (če ga še prodajajo). Lahko pa seveda uporabimo preglednico ali še boljše, programski jezik. Zadnje čase je naših šolah v modi  Python, sorazmerno lahko je  preiti nanj, čr ste se  prej ukvarjali s Pascalom in Delphijem.  Spodnji program je napisan v VisualPythonu,  različici, ki je posebej primerna za grafične prikaze.

Rezultat, ki ga dobimo, je premikajoč se satelit na spodnji sličici:



In takoj se ponujajo  modifikacije programa – satelit, ki pušča za sabo sled, preverjanje Keplerjevih zakonov, dvojna zvezda, zvezdna kopica, trk kopic….Zanimivo vprašanje, na katerega lahko prv hitro odgovorimo,  je postavil Ivan Kuščer: kakšen bi bil tir satelita, če bi privlačna sila med telesi nekoliko odstopala od Newtonovega gravitacijskega zakona, npr.

\vec{F}=\frac{GmM}{r^{3+\alpha}}\vec{r}.

Prav tako lahko npr. napišete  igro, v kateri z raketo in omejeno količino goriva pristajate na Zemlji ali Luni in ste ves čas v nevarnosti, da če vam goriva zmanjka, postanete umetni satelit….

Vsota harmonikov

Objavljeno ,

Iz teorije vrst vemo, da lahko vsako zvezno in odsekoma odvedljivo funkcijo zapišemo s Fourierovo vrsto, v kateri nastopajo kosinusi in sinusi mnogokratnikov osnovne frekvence. Če je funkcija soda, zadoščajo sami kosinusi, če liha, pa sinusi. Izkoristimo to v fiziki za generacijo pravokotne napetosti – poglejmo, koliko se ji približamo, če dodamo po en člen tja do desetega.

PTR v srednji šoli

Objavljeno ,

Posebna teorija relativnosti v srednji šoli -uvod

Imel sem srečo, sam sem to teorijo v šolskem letu 1970/71 kot dijak  Gimnazije Črnomelj slišal kar dvakrat. Matematik Marjan Skrbinšek jo je povzel po učbeniku Franceta Križaniča Atirmetika, algebra in analiza, za moj okus najboljšem slovenskem učbeniku matematike do sedaj. Fizik Jože Pavlišič pa je pri fizikalnem krožku ubral bolj fizikalni pristop, ki je temeljil na takrat pravkar izšli Sigmini knjižici Janeza Strnada Relativnost.  Skoraj dve desetletji kasneje sem imel to poglavje priliko spet slišati pri Ivanu Kuščerju v okviru predmeta Osnove klasične fizike na tretji stopnji pedagoške fizike, Janez Strand pa ji je namenil tudi eno od poglavij v Učbeniku Fizika za družboslovce, ki se je uporabljal v okviru usmerjenega izobraževanja. Kasneje je kot celota iz učbenikov izginila, v fiziki se uporablja le še pri obravnavi energije delcev.

STR se mi zdi pomembna, saj dijaku odpre nove poglede na svet okrog nas in ponuja odgovor ena nekatera temeljna vprašanja.. Zato jo poskušam prenesti dijakom v obliki, o kateri nameravam pisati v nadaljevanju.

Temelji fizike na začetku 20. stoletja

Klasična fizika je v tistem času temeljila na naslednjih načelih:

  1. Prostor je izotropen in homogen. Homogenost prostora pomeni, da je izid fizikalnega poskusa neodvisen od tega, kje ga izvajamo, izotropnost pa, da je za izid vseeno, kako je merilna priprava zasukana.
  2. Čas je homogen. Izid fizikalnega poskusa je torej neodvisen od tega, kdaj poskus izvajajmo. Fizikalni poskusi so torej ponovljivi in v enakih okoliščinah pričakujemo enak rezultat.
  3. Vsi inercialni sistemi so enakovredni.  Ker fizik meri, potrebuje koordinatni sistem in uro. Tak sistem je lahko glede na okolico mirujoč, lahko pa se giblje glede na njo s hitrostjo v_o , npr. ladja glede na obalo. Sistem je inercialen, če se glede na okolico giblje nepospešeno, torej premo enakomerno.  To načelo torej pove, da so izidi poskusov v vseh nepospešenih sistemih (npr. na kopnem ali na enakomerno ploveči ladji) enaki.
  4.   Oba inercialna sistema vežejo Galilejeve transformacije.Te transformacije povezujejo  meritve, ki jih je opravil opazovalev v mirujočem se sistemu, z meritvami tistega  v gibajočem se sistemu.  Ivan Kuščer je to ponazoril kar z vlakom, ki pelje mimo postajenačelnika s hitrostjo  v_o. Postajenačelnik in sprevodnik na vlaku merita  koordinato  in čas potnika, ki se iz zadnjega vagona giblje proti strojevodji . Postajenačelnik nameri  x in t, sprevodnik pa x’ in t’. Galilejeve transformacije pravijo

        \[t=t^\prime,\quad x=x^\prime+v_0t^\prime\]

    Oba opazovalca torej merita isti čas (ali čas je absoluten),  Postajenačelnik izmeri hitrost potnika v, sprevodnik pa v’. Zveza med obema hitrostima sledi iz Galilejevih transformacij takole

        \[ v=\frac{x}{t}=\frac{x^\prime+v_ot^\prime}{t^\prime}=v^\prime+v_o.\]

    Primer: Če vozi vlak s hitrostjo 20km/h, potnik pa s giblje proti strojevodji s hitrostjo 5km/h glede na vlak, bo postajenačelnik nameril za potnikovo hitrost 25km/h.

  5. Hitrost svetlobe je v vseh inercialnih sistemih enaka. Z drugimi besedami, hitrosti se ne da pospeševati ne zavirati. To načelo o svetlobni hitrosti je rezultat Michelsonon-Morleyevega poskusa v 80.letih 19. stoletja.

Njun poskus je imel namen izmeriti hitrost Zemlje pri svojem gibanju okrog Sonca glede na eter – namišljeno snov, ki zapolnjuje vesolje in so jo takratni fiziki potrebovali kot sredstvo, po katerem se širi elektromagnetno valovanje, torej tudi svetloba.  Primerjala sta hitrost  svetlobe iz smeri, v katero se je Zemlja gibala, in hitrost svetlobe iz smeri pravokotno na gibanje.  Meritev, ki bila izredno natančna, sta ponavljala skoraj celo desetletje, rezultat pa je bil vsakič 0. Obe hitrosti sta bili torej enaki. Njun poskus je pomenil, da ima svetloba v gibajočem se sistemu enako hitrost kot svetloba v mirujočem (pravokotnem na gibanje) sistemu, posledično pa tudi konec teorije o etru.

Očitno so načela med seboj v protislovju, kar nam pokaže naslednji (namišljen) poskus:

Predstavljajmo si, da sprevodnik  zajaha svetlobni žarek in se na njem pelje mimo postajenačelnika s hitrostjo c. V roki pa drži baterijo in z njo posveti   v smeri hitrosti vožnje. Kolikšna je hitrost svetlobe iz baterije za postajenačelnika?

Odgovor nam da seštevanje hitrosti po Galilejevih transformacijah

    \[ v=v^\prime+v_o=c+c=2c.\]

Rezultat  pa je očitno v nasprotju z načelom o svetlobni hitrosti, saj hitrost ne bi smela presegati c.

Kljub temu, da bilo  nekaj poskusov razrešitve tega protislovja pred A. Einsteinom, je moral priti prav on, da je eno od načel prečrtal. Če bi bili na njegov mestu, katerega bi prečrtali vi?