ลูกตุ้มประกอบด้วยน้ำหนักที่ห้อยลงมาจากแท่งหรือเชือกที่แกว่งไปมา ลูกตุ้มเป็นเรื่องปกติในอุปกรณ์บอกเวลา เช่น เครื่องเมตรอนอม นาฬิกาลูกตุ้ม เครื่องวัดแผ่นดินไหว และเตาธูปแบบแกว่ง และสามารถใช้เพื่อแสดงปัญหาทางฟิสิกส์ที่ซับซ้อนได้
ขั้นตอน
วิธีที่ 1 จาก 3: การทำความเข้าใจลูกตุ้มพื้นฐาน
ขั้นตอนที่ 1 รู้ว่าลูกตุ้มคือน้ำหนักที่ห้อยอย่างอิสระที่ปลายเชือก
ก่อนที่คุณจะเริ่มใช้ลูกตุ้ม คุณต้องรู้ว่าลูกตุ้มคืออะไรและทำงานอย่างไร โชคดีที่ลูกตุ้มไม่ได้เป็นอะไรมากไปกว่าตุ้มน้ำหนักที่แกว่งไปมาได้ เชือกผูกไว้ที่จุดคงที่เพื่อให้เฉพาะน้ำหนักและเชือกเคลื่อนที่
- จับปลายสร้อยคอพร้อมจี้หรือของเล่นโยโย่ระหว่างนิ้วของคุณและขยับ "น้ำหนัก" ที่ด้านล่าง คุณได้สร้างลูกตุ้มแรกของคุณแล้ว!
- ตัวอย่างทั่วไปของลูกตุ้มคือน้ำหนักแกว่งขนาดใหญ่บนนาฬิกาลูกตุ้ม
ขั้นตอนที่ 2 การใช้ลูกตุ้ม ดึงน้ำหนักกลับแล้วปล่อย
ตรวจสอบให้แน่ใจว่าคุณเก็บเชือกไว้แน่นและยกน้ำหนักโดยไม่ต้องกด น้ำหนักจะแกว่งไปมาและกลับสู่ความสูงเกือบเท่าตอนที่คุณทำหล่น
- ลูกตุ้มจะแกว่งตลอดไปหากไม่มีสิ่งใดทำให้ช้าลงหรือเปลี่ยนทิศทาง
- อันที่จริง แรงภายนอก เช่น แรงเสียดทานและแรงต้านของอากาศจะทำให้ลูกตุ้มช้าลง
ขั้นตอนที่ 3 ทำลูกตุ้มอย่างง่ายด้วยสายวัด แบตเตอรี่ และสายวัดเพื่อให้เข้าใจมากขึ้น
หากคุณกำลังเรียนรู้ผ่านกิจกรรมภาคปฏิบัติหรือต้องการสอนให้เด็กๆ รู้ว่าลูกตุ้มทำงานอย่างไร คุณสามารถสร้างลูกตุ้มเพื่อทดลองได้อย่างรวดเร็วด้วย:
- ผูกปลายเชือกด้านหนึ่งเข้ากับกึ่งกลางของสายวัดหรือเสาไม้
- มัดปลายอีกด้านกับแบตเตอรี่หรือโหลดขนาดเล็กอื่นๆ
- ปรับสมดุลไม้มิเตอร์บนหลังเก้าอี้สองตัวเท่าๆ กัน เพื่อให้แบตเตอรีแขวนระหว่างเก้าอี้อย่างอิสระ และสามารถแกว่งไปมาได้โดยไม่กระทบกับสิ่งใดๆ
- ยกแบตเตอรี่ขึ้น โดยให้เชือกตึง และปล่อยเพื่อให้แกว่งไปมา
ขั้นตอนที่ 4 ระบุคำศัพท์ทางวิทยาศาสตร์สำหรับลูกตุ้ม
เช่นเดียวกับกิจกรรมทางวิทยาศาสตร์ส่วนใหญ่ การทำความเข้าใจและการใช้ลูกตุ้มจะเกิดขึ้นได้ก็ต่อเมื่อคุณรู้คำที่อธิบายเท่านั้น
- แอมพลิจูด: จุดสูงสุดที่ลูกตุ้มไปถึง
- บ๊อบ: อีกชื่อหนึ่งสำหรับการบรรทุกบนปลายลูกตุ้ม
- สมดุล: จุดกึ่งกลางของลูกตุ้ม; โหลดอยู่ที่ไหนถ้ามันไม่เคลื่อนที่
- ความถี่: จำนวนครั้งที่ลูกตุ้มแกว่งไปมาในช่วงเวลาที่กำหนด
- ระยะเวลา: ระยะเวลาที่ลูกตุ้มเคลื่อนที่เพื่อกลับไปยังที่เดิม
วิธีที่ 2 จาก 3: การใช้ลูกตุ้มเพื่อสอนฟิสิกส์พื้นฐาน
ขั้นตอนที่ 1 โปรดทราบว่าการทดลองลูกตุ้มเป็นวิธีที่ดีในการสอนวิธีการทางวิทยาศาสตร์
วิธีการทางวิทยาศาสตร์เป็นกระดูกสันหลังของการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ตั้งแต่สมัยกรีกโบราณ และลูกตุ้มเป็นวัตถุที่ง่ายต่อการผลิตและให้ผลลัพธ์อย่างรวดเร็ว เมื่อทำการทดลองใดๆ ต่อไปนี้ ให้ใช้เวลาในการตั้งสมมติฐาน อภิปรายตัวแปรที่คุณกำลังทดสอบ และเปรียบเทียบผลลัพธ์
- ทดลองมากถึง 5-6 ครั้งเสมอเพื่อให้แน่ใจว่าผลลัพธ์ของคุณสอดคล้องกัน
- อย่าลืมลองทดสอบทีละครั้งเท่านั้น มิฉะนั้น คุณจะไม่รู้ว่าอะไรเปลี่ยนแปลงการแกว่งของลูกตุ้ม
ขั้นตอนที่ 2 เปลี่ยนน้ำหนักที่ปลายเชือกเพื่อสอนแรงโน้มถ่วง
วิธีที่ง่ายที่สุดวิธีหนึ่งในการเรียนรู้ผลกระทบของแรงโน้มถ่วงคือการใช้ลูกตุ้ม และคุณอาจแปลกใจกับผลลัพธ์ที่ได้ เพื่อดูผลกระทบของแรงโน้มถ่วง:
- ดึงลูกตุ้ม 10 ซม. แล้วปล่อย
- ใช้นาฬิกาจับเวลาเพื่อจับเวลาช่วงลูกตุ้ม ทำซ้ำ 5-10 ครั้ง
- เพิ่มบ๊อบที่หนักกว่าลงในลูกตุ้มแล้วทำการทดลองซ้ำ
- ระยะเวลาและความถี่จะเท่ากันทุกประการ! เนื่องจากแรงโน้มถ่วงมีผลต่อโหลดทั้งหมดเท่าๆ กัน ตัวอย่างเช่น เหรียญและอิฐจะตกลงมาด้วยความเร็วเท่ากัน
ขั้นตอนที่ 3 เปลี่ยนตำแหน่งที่คุณปล่อยโหลดเพื่อศึกษาแอมพลิจูด
เมื่อคุณดึงเชือกให้สูงขึ้น แสดงว่าคุณได้เพิ่มแอมพลิจูดหรือความสูงของลูกตุ้มแล้ว อย่างไรก็ตาม นั่นเปลี่ยนความเร็วที่ลูกตุ้มจะกลับสู่มือคุณหรือไม่? ทำการทดลองข้างต้นซ้ำ แต่คราวนี้ดึงลูกตุ้มออกไป 20 เซนติเมตรและอย่าเปลี่ยนน้ำหนัก
- หากคุณทำทุกอย่างถูกต้อง ระยะเวลาของลูกตุ้มจะไม่เปลี่ยนแปลง
- การเปลี่ยนแอมพลิจูดไม่ได้เปลี่ยนความถี่ ซึ่งเป็นข้อเท็จจริงที่จะเป็นประโยชน์ในด้านตรีโกณมิติ วิทยาศาสตร์เสียง และสาขาอื่นๆ อีกมากมาย
ขั้นตอนที่ 4. เปลี่ยนความยาวของเชือก
ทำการทดลองข้างต้นซ้ำ แต่แทนที่จะเปลี่ยนน้ำหนักที่คุณเพิ่มหรือความสูงที่คุณปล่อย ให้ใช้เชือกที่สั้นกว่าหรือยาวกว่า
คราวนี้คุณจะสังเกตเห็นการเปลี่ยนแปลงอย่างแน่นอน อันที่จริง การเปลี่ยนความยาวของสตริงเป็นสิ่งเดียวที่จะเปลี่ยนคาบและความถี่ของลูกตุ้ม
ขั้นตอนที่ 5. เรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับฟิสิกส์ของลูกตุ้มเพื่อเรียนรู้เกี่ยวกับความเฉื่อย การถ่ายเทพลังงาน และความเร่ง
สำหรับนักเรียนรุ่นพี่หรือนักฟิสิกส์มือใหม่ ลูกตุ้มเป็นวิธีที่ยอดเยี่ยมในการเรียนรู้ความสัมพันธ์ระหว่างการเร่งความเร็ว การเสียดสี และตรีโกณมิติ ค้นหา "สมการลูกตุ้ม" หรือออกแบบการทดลองของคุณเองเพื่อค้นหา คำถามบางข้อที่ต้องพิจารณา:
- บ๊อบเคลื่อนที่ที่จุดต่ำสุดได้เร็วแค่ไหน? คุณจะพบความเร็วของบ๊อบในแต่ละจุดได้อย่างไร?
- บ๊อบมีพลังงานจลน์เท่าใดในลูกตุ้ม ณ จุดใดจุดหนึ่ง ให้ใช้สมการ: Kinetic Energy = 0.5 x Bob's Mass x Velocity. Velocity2
- คุณจะทำนายระยะเวลาของลูกตุ้มตามความยาวของสตริงได้อย่างไร?
วิธีที่ 3 จาก 3: การใช้ลูกตุ้มเพื่อทำการวัด
ขั้นตอนที่ 1. ปรับความยาวของเชือกเพื่อวัดเวลา
ขณะดึงเชือกกลับให้ไกลขึ้นและเปลี่ยนน้ำหนักบรรทุกไม่สามารถเปลี่ยนระยะเวลาได้ การยืดหรือย่นเชือกอาจเปลี่ยนระยะเวลาได้ นี่คือวิธีการสร้างนาฬิกาแบบเก่า หากคุณเปลี่ยนความยาวของลูกตุ้มได้อย่างสมบูรณ์ คุณสามารถสร้างจุดหรือเต็มวงสได้ ซึ่งใช้เวลาสองวินาที นับจำนวนงวด แล้วคุณจะรู้ว่าเวลาผ่านไปเท่าไหร่
- นาฬิกาลูกตุ้มติดอยู่กับเฟืองเพื่อให้ทุกครั้งที่ลูกตุ้มแกว่ง เข็มวินาทีบนนาฬิกาจะเคลื่อนที่
- ในนาฬิกาลูกตุ้ม น้ำหนักที่แกว่งไปในทิศทางเดียวทำให้เกิด "ติ๊ก" และเหวี่ยงกลับไปทำให้เกิด "การเคาะ"
ขั้นตอนที่ 2 ใช้ลูกตุ้มของคุณเพื่อวัดการสั่นสะเทือนในบริเวณใกล้เคียง รวมถึงแผ่นดินไหว
เครื่องวัดแผ่นดินไหวเป็นเครื่องมือที่วัดความรุนแรงและทิศทางของแผ่นดินไหว เป็นลูกตุ้มที่ซับซ้อนซึ่งจะเคลื่อนที่เมื่อเปลือกโลกเคลื่อนที่เท่านั้น ในขณะที่การปรับเทียบลูกตุ้มเพียงเพื่อวัดการแปรสัณฐานของแผ่นเปลือกโลกนั้นซับซ้อนอย่างยิ่ง คุณสามารถเปลี่ยนลูกตุ้มแทบทุกชนิดให้กลายเป็นเครื่องวัดแผ่นดินไหวแบบพื้นฐานได้โดยใช้ปากกาและกระดาษ
- กาวปากกาหรือดินสอกับน้ำหนักที่ปลายลูกตุ้ม
- วางกระดาษไว้ใต้ลูกตุ้ม โดยให้ปากกาสัมผัสกับกระดาษและทำเครื่องหมาย
- เขย่าลูกตุ้มเบา ๆ แต่อย่าเขย่าสตริง ยิ่งเขย่าลูกตุ้มมากเท่าไหร่ รอยบนกระดาษก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น สิ่งนี้เกี่ยวข้องกับ "แผ่นดินไหว" ที่ใหญ่กว่า
- เครื่องวัดแผ่นดินไหวดั้งเดิมมีแผ่นกระดาษที่หมุนได้ คุณจึงสามารถเห็นความแรงของแผ่นดินไหวเมื่อเวลาผ่านไป
- ลูกตุ้มถูกใช้เพื่อวัดแผ่นดินไหวตั้งแต่ 132 AD ในประเทศจีน
ขั้นตอนที่ 3 ใช้ลูกตุ้มพิเศษที่เรียกว่าลูกตุ้มของ Foucault เพื่อพิสูจน์ว่าโลกหมุน
แม้ว่าทุกวันนี้ผู้คนจะรู้ว่าโลกหมุนรอบแกนของมัน ลูกตุ้มของฟูโกต์ก็เป็นหลักฐานที่เก่าแก่ที่สุดของแนวคิดนี้ ในการทำซ้ำ คุณจะต้องใช้ลูกตุ้มขนาดใหญ่ที่มีความยาวขั้นต่ำ 4.9 เมตร และมีน้ำหนักมากกว่า 11.3 กก. เพื่อลดตัวแปรภายนอก เช่น ลมหรือแรงเสียดทาน
- เคลื่อนลูกตุ้มในลักษณะที่สามารถแกว่งได้นาน
- เมื่อเวลาผ่านไป คุณจะสังเกตเห็นว่าลูกตุ้มแกว่งไปในทิศทางที่ต่างไปจากตอนที่คุณเริ่มการสวิง
- สิ่งนี้เกิดขึ้นเนื่องจากลูกตุ้มเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงในขณะที่โลกด้านล่างหมุน
- ในซีกโลกเหนือ ลูกตุ้มจะเคลื่อนที่ตามเข็มนาฬิกา และในซีกโลกใต้ ลูกตุ้มจะเคลื่อนที่ทวนเข็มนาฬิกา
- แม้ว่าจะซับซ้อน แต่คุณสามารถใช้ลูกตุ้มของ Foucault เพื่อคำนวณละติจูดโดยใช้สมการตรีโกณมิติ
เคล็ดลับ
- คุณอาจต้องใช้คนสองคนเพื่อทำการทดลองนี้อย่างแม่นยำ คนหนึ่งใช้ลูกตุ้มและอีกคนคอยติดตามเวลา
- หากคุณต้องการสร้างลูกตุ้มที่แม่นยำยิ่งขึ้น ให้ใช้เชือกเส้นอื่นเพื่อยึดน้ำหนักไว้ที่ความสูงที่ต้องการ เผาปลายเชือกเพื่อ "ปล่อย" น้ำหนัก วิธีนี้จะช่วยป้องกันไม่ให้คุณดันน้ำหนักไปข้างหน้าหรือด้านข้างโดยไม่ได้ตั้งใจเมื่อคุณปล่อยน้ำหนัก
- บางคนเชื่อว่าลูกตุ้มมีพลังพิเศษในการทำนายเช่นกัน