ニュートンの振り子





ニュートンの振り子は、

5つの鉄玉で構成されており、ビーズの回転を防ぐために、各ビーズは、二つの糸にぶら下がっています。

もともと、ニュートンの振り子は、ニュートンの第3法則を示すために作られました。先端からビーズを衝突させると、反対側を経て、同じ衝撃が戻ってきます。

動く過程

一つのボールを遠く引い落下させると、落下したボールは、下に羅列されたボールを打った後、完全に停止します。反対側のボールは、すぐに落下された球のような速度を持って上に上がります。上るボールは、最初にボールを出発させた高さとほとんど同じ高さまで上がります。
これは飛び出し上がったボール落下したボールのエネルギーと運動量の大部分を受け継いだということを示します。中間のボールは、じっとしていて、圧縮で作られた波動を伝達するだけです。波動が伝わる間に、いくつかのエネルギーは熱として失われます。

エネルギーの損失がないとすると飛び出すボールの数は落とす球の数と一致します。つまり、二つのボールを落とすと反対側では、二つのボールが飛び出し上がり、三つのボールを落とすと反対側には、3つのボールが飛び出します。

一つのボールを落下させたとき

ニュートンの振り子は完全弾性体の運動量(= mv)と運動エネルギー(= 1/2 mv2)保存則に説明します。
二つのボールと同じ質量であれば衝突は簡単に説明することができます。衝撃を受けた物体は衝撃を与えた物体の運動量と運動エネルギーを完全に渡します。完全弾性体の場合では、熱と音エネルギーに損失が発生しません。硬い鉄球は、圧縮がうまくいかないが、弾力性があってエネルギー損失をよく起こさずエネルギーを効率的に転送します。

二つ以上のボールを落下させたとき

二つのボールを持ち上げて、第3のボールに向かって落とす過程を考えてみましょう。微細な差で第二のボール三球を先に叩きます。完全弾性体の衝突法則に基づいて、第3のボールは、運動量と運動エネルギーは渡さ受け動き、落下した第二のボールは停止します。このように停止した第二のボールを一緒に落下していた最初のボールが打つと再び動くようになります。このような過程が繰り返されます。

摩擦で発生する現象

ニュートンの振り子は、単純な摩擦により、運動量と運動エネルギーが少しずつ減少します。実際にニュートンの振り子では、落下するボールは衝突直後の摩擦によって少しずつ後ろに押されてきます。これらの効果が累積されると、しばらくの時間が経った後、すべてのボールが少しずつ揺れます。