Bygga en bättre Guinea och fjäder

The Guinea och fjäder är en av de viktigaste experiment i klassisk fysik och det är fortfarande utförs idag som en föreläsning demonstration för tusentals inledande fysik studenter. Det visar att jordens gravitationskraft accelererar alla objekt på samma sätt oavsett massa dvs ett tungt föremål (en brittisk guinea) och ett lätt föremål (en fjäder) kommer att falla i exakt samma takt. Detta koncept av enhetliga gravitionella accelerationen föreslogs av Galileo Galilei (1564-1642) och direkt motsägs Aristotle (384-322 f.Kr.) tidigare påstående att tyngre föremål faller snabbare. Naturligtvis om du tappar ett mynt och en fjäder under normala (atmosfären), kommer myntet kontakt med marken först. Men Galileo resonerade att det fanns en annan kraft i arbetet sakta ner fjädern. Att styrka var luftmotstånd och Galileo hävdade att alla objekt skulle påskynda lika villkor utan luftmotstånd. Tekniker för att skapa ett tillräckligt tomrum fanns tyvärr inte på gång att bevisa Galileo korrekt.

Isaac Newton (1643-1727) visade sig vara matematiskt att Galileo var korrekt. Newtons lag av gravitationslagen påstår att attraktionen mellan två objekt M och m placerade en distansera r apart (från centrum till centrum) ges av F = ^GMm/_r² , där G är gravitationskonstanten. Men Newtons andra lag säger att kraften (F) på ett objekt (m) är relaterad till det är accelerationen (a) av F = ma. Kombinera dessa två ekvationer får vi F = ^GMm/_r² = ma, eller en = ^GM/_r². Således gravitionella accelerationen av ett objekt är bara beroende av massan av jorden (M), det är avståndet från jordens centrum (r) och gravitationskonstanten G. Vi kallar denna acceleration beroende på tyngdkraften g till justeringsfunktioner det från acceleration på grund av vissa andra kraft. Det exakta värdet på g varierar med läge och de lokala jordens densitet, men standard gravity definieras som g = 9,80665 m/s².

Newton lag tredjestater som tvingar finns i lika och mittemot par. Detta innebär att jorden för en given kraft F₁ agera på en liten massan m vilket resulterar i en acceleration a₁, också erfar en kraft F₂ på massan M vilket resulterar i en acceleration en₂. Totala accelerationen av jorden och små samlas m är bara summan₁ +₂ = G (M + m) / r². Massan av jorden (5,98 x 10²⁴ kg) är dock många många storleksordningar större än den mindre massan m så M + m är i huvudsak M och en₂ är i huvudsak 0. Om matematik är svårt att läsa här, kolla in Wikipedia artiklar om Gravitationslagen och jordens gravitation.

Detta experiment har även utförts på månen av Apollo 15 Commander David Scott använder en 1,32 kg geologiska hammare och en 0,03 kg falcon fjäder (Falcon var namnet på månlandaren). Eftersom det finns ingen atmosfär på månen, hammaren och fjädern landat på det lunar ytbehandlar samtidigt. Det var direktsändning 1971 och en länk till videon är nedan.

På en historisk anmärkning, Guineas var britterna guldmynt först används i detta experiment och i USA är det ibland kallas Penny och fjäder. Många nuvarande versioner använder en bit vanlig metall istället för ett mynt och papper i stället för en fjäder.

Observera att titeln bilden är från PIRA 200 demonstration lista och är copyright 1993 av University of Minnesota och Fysik instruktions Resource Association. Enligt denna webbsida, är titeln bilden släppt för ideell pedagogisk användning endast. Alla bilder som används för andra ideella ändamål, behöver behålla undertecknandet av deras skapare...