כוח ותאוצה

אחת המשוואות המפורסמות ביותר בכל הפיזיקה היא החוק השני של ניוטון:

. (משוואה 1)

הוא פשוט קובע שהכוח על אובייקט שווה למסה של האובייקט כפול התאוצה שלו.

בניסוי לעקוב, דאון יהיה מחובר למשקל נופל על ידי גלגלת. מכיוון חיכוך שנגרם על ידי דאון מחליק לאורך מסלול יגרום כוח נוסף שקשה למדוד, הדאון יהיה על מסלול אווירי כדי להפחית את החיכוך. מסלול האוויר יוצר כרית אוויר בין הדאון למסלול, ומפחית כל חיכוך לאפס בקירב. כוח המשקל יאיץ את הדאון על פי משוואה 1.

הכוח על המשקל יהיה בגלל כוח המשיכה והמתח בחוט המחבר את המשקל הנופל לדאון. המתח יתנגד לכיוון המשקל הנופל ויהיה לו סימן הפוך ככוח הכבידה במשוואה. לכן, משוואה 1 הופכת , כאשר T הוא המתח והוא התאוצה בשל כוח המשיכה (~ 9.8 מ '/ש'²). בעוד התאוצה עקב כוח המשיכה תישאר זהה, הכוח יכול להיות מוגבר על ידי הוספת מסה.

כאשר המשקל יורד, הוא יוצר מתח בחוט המחבר את המשקל לדאון. גלגלת משנה את כיוון כוח המתח מאנכי לאופקי. ללא שום דבר אחר מחובר, המתח במחרוזת שווה לכוח המשקל הנופל, אשר מחיל את אותו גודל של כוח על הדאון. לכן, הכוח על הדאון יהיה שווה לכוח המתח T;  מכיוון שהמשקל וה דאון מחוברים, התאוצה שלהם תהיה זהה עבור שני האובייקטים. כדי לחשב את התאוצה על הדאון עקב משיכת המשקל, הכוחות משווים.

אשר ניתן לפתור עבור:

. (משוואה 2)

כדי למדוד את התאוצה, טיימר פוטוגייט ממוקם 20 ס"מ מהמיקום הראשוני של הדאון. ניתן לחשב את התאוצה מתוך המהירות והמרחק הסופיים הנמדדים שעברו באמצעות המשוואה הבאה:

(משוואה 3)

איפה המהירות הסופית והמרחק נע. הדגל בחלק העליון של הדאון יעבור דרך הפוטגייט, אשר יתעד את משך הזמן שלוקח לדאון לעבור דרך השער. אורכו של הדגל הוא 10 ס"מ, כך שהמהירות של הדאון שווה לאורך הדגל חלקי הזמן.

					% הבדל
200	10	0.93	0.47	0.43	9
400	10	0.66	0.24	0.22	9
200	20	1.28	0.89	0.82	9
200	50	1.96	1.69	1.92	145

תוצאות ניסוי זה מאשרות את התחזיות שנעשו על ידי משוואות 2 ו -3. עם המסה המוגברת של הדאון בשלב 2, התאוצה הייתה קטנה יותר מכיוון שיהיה צורך בכוח גדול יותר כדי להאיץ את הדאון לאותה מהירות כמו בשלב 1. בשלב 3, המסה המוגברת של המשקל התלוי אכן הגדילה את הכוח על הדאון ובכך את התאוצה. התאוצה גדלה עם המסה המוגברת, כצפוי.

החיכוך היה כמעט אפס בזכות כרית האוויר בין הדאון למסלול. כיס האוויר אינו מושלם, עם זאת, והאוויר מהמסלול עשוי לדחוף את הדאון לכיוון מסוים. זה יכול להיבדק על ידי מתן הדאון לשבת על המסלול האווירי, ללא כוח המופעל עליו. אם הדאון נע בכיוון אחד, ייתכן שיש כוח מסוים על הדאון מהמסלול.

החוק השני של ניוטון קשור ביסודו לתנועה שאנשים חווים כל יום. ללא כל כוח, אובייקט לא יואץ ויישאר במנוחה או ימשיך לנוע בקצב קבוע. לכן, אם מישהו רוצה להזיז משהו, כגון בעת להכות בייסבול במרחק מסוים, כוח מספיק חייב להיות מופעל. ניתן לחשב את הכוח באמצעות משוואה פשוטה כמו

בדיוק כפי שנדרש כוח מסוים כדי להאיץ עצם, דרושה אותה כמות של כוח כדי להוריד את המהירות של עצם לאפס. על ידי התבוננות , ברור כי מחפיר עם הרבה מסה הוא הרבה יותר קשה לעצור מאשר אובייקט עם מסה קטנה יותר. קל יותר לעצור אופניים מאשר רכבת! ככל שמשהו הולך מהר יותר, כך נדרשת האצה רבה יותר כדי לעצור אותו, כך שנדרש הרבה יותר כוח כדי לעצור כדור מאשר כדורסל.

החוק השני של ניוטון הופך להיות קצת יותר מסובך כאשר מרכיבי הכוח משתנים עם הזמן. עבור אובייקט שחווה סוג כלשהו של כוח גרירה, כגון התנגדות אוויר, התאוצה שלו יכולה להשתנות עם הזמן. רקטה היא דוגמה לאובייקט בעל מסה שמשתנה עם הזמן. ככל שהרקטה שורפת דלק, המסה שלה קטנה יותר, והיא למעשה דורשת פחות כוח כדי להאיץ ככל שהזמן עובר.

בניסוי זה נבדקו מרכיבי הכוח. החוק השני של ניוטון קובע שכוח שווה למסה של עצם כפול התאוצה. על ידי התאמת המסה של הדאון, התאוצה של הדאון צומצמה. עם כוח מוגבר על הדאון, התאוצה הוגברה, המאשרת את החוק השני של ניוטון. תוצאות הניסוי הזה צריכות להיות מדויקות, כל עוד אין כוחות אחרים הפועלים בדאון. זו הסיבה לחיכוך צומצם בניסוי זה באמצעות מסלול אווירי.