Fonte: Andrew Duffy, PhD, Dipartimento di Fisica, Boston University, Boston, MA

Questo esperimento esamina varie situazioni che coinvolgono due oggetti interagenti.

In primo luogo, l'esperimento esamina le forze che due oggetti applicano l'uno all'altro mentre si scontrano. Gli oggetti sono carrelli a ruote che hanno masse variabili. Lo scopo di questo esperimento è scoprire quando la forza che il primo carrello esercita sull'altro è della stessa grandezza della forza che il secondo carrello esercita sul primo, così come quando queste due forze hanno magnitudo diverse.

In secondo luogo, esamina le forze che due oggetti esercitano l'uno sull'altro quando un carrello spinge o tira il secondo. Ancora una volta, l'attenzione si concentra sull'esplorazione delle situazioni in cui le due forze hanno la stessa grandezza e in cui hanno grandezze diverse.

L'obiettivo principale di questo esperimento è quello di esplorare la terza legge di Newton.

L'apparecchio è costituito da due carrelli, ciascuno con un sensore di forza montato sulla parte superiore (Figura 1). I sensori di forza sono collegati a un computer tramite un'interfaccia computer dedicata. Ogni sensore di forza misura la forza esercitata su di esso dall'altro sensore di forza durante la collisione o la situazione di spinta / trazione.

Figura 1. Configurazione di base. I componenti chiave dell'apparato sono i carrelli a due ruote, ciascuno con un sensore di forza montato sulla parte superiore e un'interfaccia computer.

1. Situazioni di collisione

1. Avvitare un paraurti in gomma (Figura 1) in ogni sensore di forza.
2. Impostare ogni sensore di forza sull'impostazione 50-N.
3. Azzerare i sensori di forza prima di ogni prova premendo il pulsante "Zero" accanto alla freccia verde che avvia la raccolta dei dati.
4. Verificare che la direzione positiva(cioè a destra) sia definita in modo appropriato per ciascun sensore di forza.
   1. Spingere il sensore di forza montato sulla destra del carrello; questo dovrebbe comportare una lettura positiva della forza. Spingere sul sensore di forza montato sulla sinistra del carrello; questo dovrebbe comportare una lettura negativa della forza.
   2. Se entrambi sono sbagliati, è sufficiente invertire la posizione del carrello.
5. Se solo uno è sbagliato, vai al "Menu Esperimento" e seleziona "Imposta sensori". Scegli il sensore di forza appropriato e seleziona "Direzione inversa".
6. La prima collisione coinvolge carrelli di uguale massa. Designare un carrello da fermo prima della collisione. All'altro carrello verrà data una velocità iniziale verso il carrello fermo in modo che i carrelli si scontrino.
7. Premi il pulsante "Raccogli" (la freccia verde) prima di spingere un carrello verso l'altro. Dai a un carrello una piccola spinta, rilascia il carrello e osserva la collisione. Valori di forza di picco tra circa 8 e 20 N dovrebbero essere osservati in uno studio tipico. Regolare la spinta se i valori della forza di picco sono molto più piccoli o molto più grandi di questo intervallo.
8. Dopo la collisione, il computer visualizzerà un grafico di "forza contro tempo", come registrato da ciascun sensore di forza.
   1. Se i grafici non vengono visualizzati, invertire l'attivazione.
   2. Dopo aver premuto il pulsante "Raccogli", nessun dato viene effettivamente registrato fino a quando uno dei sensori di forza registra un valore superiore (o inferiore) a un determinato livello di trigger. Tuttavia, se il livello di trigger è impostato su un valore positivo e il sensore di forza fornisce solo valori di forza negativi o viceversa, il computer non riceverà mai il segnale che gli dice di registrare i dati.
   3. Per controllare, o invertire, l'impostazione del trigger, premere l'icona "Raccolta dati" (immediatamente a sinistra del pulsante "Zero") e selezionare la scheda "Trigger".
9. Le due opzioni utilizzate in questo esperimento sono "Aumento su 0,2 N" e "Diminuzione su -0,2 N". Se una di queste impostazioni non causa l'attivazione necessaria, passare all'altra.
   1. Nella seconda collisione, il carrello fermo dovrebbe avere 2-3 volte la massa del carrello che si muove prima della collisione. Per raggiungere questo obiettivo, aggiungere uno o più pesi al carrello fisso. Ripeti il processo (vedi i passaggi seguenti).
   2. Designare il carrello di massa superiore in modo che sia fermo prima della collisione.
   3. Premi il pulsante "Raccogli" e premi il carrello di massa inferiore verso il carrello di massa superiore.
   4. Il computer visualizzerà i due grafici "forza vs. tempo".

Nella terza collisione, il carrello che si muove prima della collisione dovrebbe avere 2-3 volte la massa del carrello fermo. Raggiungi questo obiettivo trasferendo il peso extra da un carrello all'altro. Ripetere il processo di esecuzione della collisione e la raccolta dei dati.

2. Situazioni di spinta e trazione

1. Sostituire i paraurti in gomma su ciascun sensore di forza con ganci.
2. Aggancia i carrelli insieme per consentire a un carrello di spingere o tirare l'altro carrello.
3. Invertire la condizione di attivazione, come descritto nel passaggio 1.8.
4. Inizia con carrelli di uguale massa.
5. Premi il pulsante "Raccogli".
6. O tirare o spingere uno dei carrelli in modo che tiri o spinga l'altro carrello, rispettivamente, o scuoterlo avanti e indietro in modo che si verifichino sia la trazione che la spinta.
7. Dare al carrello che viene tirato e / o spinto 2-3 volte la massa dell'altro carrello. Ripetere il processo di raccolta dei dati.
   1. Registrare i dati "forza vs tempo" per questo scenario di spinta/trazione.
8. Dare al carrello tirando e / o spingendo 2-3 volte la massa dell'altro carrello. Ripetere il processo di raccolta dei dati.
   1. Registrare i dati "forza contro tempo" in questo scenario di spinta/estrazione.

La terza legge di Newton afferma che ogni volta che due oggetti interagiscono, il secondo oggetto esercita una forza sul primo oggetto che è uguale in grandezza e opposta in direzione alla forza che il primo oggetto esercita sul secondo. Questo è semplice da affermare, ma può essere difficile da accettare. Ad esempio, si presume spesso che la forza che un oggetto più grande esercita su un oggetto più piccolo sia maggiore della forza che l'oggetto più piccolo esercita sull'oggetto più grande.

Figura 2. Risultato della prima collisione. Le forze sperimentate dai carri sono uguali e opposte.

Figura 3. Risultato della seconda collisione. Le forze sperimentate dai carri sono uguali e opposte.

Figura 4. Risultato della terza collisione. Le forze sperimentate dai carri sono uguali e opposte.

Figura 5. Risultato della prima situazione di spinta/trazione. Le forze sperimentate dai carri sono uguali e opposte.

Figura 6. Risultato della seconda situazione di spinta/trazione. Le forze sperimentate dai carri sono uguali e opposte.

Figura 7. Risultato della terza situazione di spinta/trazione. Le forze sperimentate dai carri sono uguali e opposte.

Il concetto affrontato in questo esperimento, vale a dire che, in tutte le interazioni, la forza che un oggetto applica a un altro è uguale in grandezza e opposta in direzione alla forza applicata dal secondo oggetto sul primo, ha molte applicazioni. Ad esempio, (1) la forza gravitazionale che il Sole applica alla Terra è uguale e opposta alla forza gravitazionale che la Terra applica al Sole. (2) La forza gravitazionale che la Terra applica alla Luna è uguale e opposta alla forza gravitazionale che la Luna applica alla Terra. (3) La forza gravitazionale che la Terra esercita su una mela è uguale e opposta alla forza gravitazionale che la mela applica alla Terra. (4) In una collisione, come quella tra un'auto e un camion per strada o quella tra due calciatori, le forze sono sempre uguali e opposte, indipendentemente da come le masse si confrontano. (5) Quando una persona sta su un pavimento o si siede su una sedia, la forza esercitata su quella persona dal pavimento o dalla sedia è uguale e opposta alla forza che la persona esercita sul pavimento o sulla sedia.