אוניברסיטת בן גוריון בנגב
הפקולטה למדעי ההנדסה
המחלקה להנדסת מכונות
עבודה מסכמת - דו"ח מעבדה
2024
מבוא 1
מטרות המעבדה 1
רקע תיאורטי 2
אנרגיה פוטנציאלית 2
אנרגיה קינטית 2
אנרגיה פוטנציאלית אלסטית 2
חוק שימור האנרגיה 3
קשר בין מהירות, זמן ומרחק 3
חוק הוק 3
חוק ניוטון הראשון 4
מערכות הניסוי 5
ניסוי ראשון - אנרגיה פוטנציאלית וקינטית 5
ניסוי שני - מדידת קבוע הקפיץ 5
ניסוי שלישי - אנרגיה אלסטית ואנרגיה פוטנציאלית 6
מהלך המעבדה 7
מהלך הניסוי הראשון 7
מהלך הניסוי השני 7
מהלך הניסוי השלישי 7
עיבוד התוצאות ודיון 9
ניסוי ראשון - הצגת תוצאות, חישובים וגרפים 9
ניסוי שני - הצגת תוצאות וגרפים 13
ניסוי שלישי - הצגת תוצאות וגרפים 14
מסקנות 18
סיכום 20
רשימת מקורות 21
שימור האנרגיה המכנית הוא אחד מעקרונות היסוד של המכניקה הקלאסית, והוא מספק כלי מרכזי לניתוח מערכות שבהן פועלים כוחות משמרים. על פי עיקרון זה, סכום האנרגיה הקינטית והאנרגיה הפוטנציאלית של מערכת מבודדת נשמר, ולכן ניתן לקשור בין מצבה ההתחלתי של המערכת ובין מצבה הסופי מבלי לפתור את משוואות התנועה במלואן [1]. יכולת זו הופכת את העיקרון לכלי יעיל בבעיות הנדסיות שבהן הכוחות משתנים לאורך המסלול ופתרון ישיר של משוואות ניוטון מסובך.
למרות הפשטות המתמטית של העיקרון, מחקרים בהוראת הפיזיקה מצביעים על כך שיישומו הנכון מחייב הגדרה מדויקת של גבולות המערכת הנחקרת ושל מצב הייחוס שביחס אליו נמדדת האנרגיה הפוטנציאלית. ניתוח שיטתי של המערכת, המבחין בין רכיביה ובין הכוחות הפועלים ביניהם, נמצא כמשפר את יכולתם של לומדים ליישם את חוק שימור האנרגיה במצבים חדשים [2].
מקרה פרטי חשוב של אנרגיה פוטנציאלית הוא האנרגיה האצורה בגוף אלסטי. חוק הוק קובע כי בתחום האלסטי הכוח המחזיר של קפיץ פרופורציוני להיסטו ממצב המנוחה, וקבוע הפרופורציה, הוא קבוע הקפיץ, מאפיין את הקפיץ עצמו. קביעה ניסויית של קבוע הקפיץ נעשית בדרך כלל במדידה סטטית של התארכות הקפיץ תחת העמסה משתנה או במדידה דינמית של זמן המחזור בתנודה הרמונית פשוטה, ושתי השיטות מניבות ערכים תואמים בתחום האלסטי [3].
היבט נוסף, שאינו ניתן להפרדה מן הניסוי עצמו, הוא דיוק המדידה. עבודות עדכניות בהוראת המעבדה מצביעות על כך שחלק ניכר מן הסטיות בין הערכים הנמדדים לערכים התיאורטיים נובע ממספר מדידות קטן, מרזולוציית המכשירים ומאיבודי אנרגיה שאינם נכללים במודל האידיאלי [4]. לפיכך נדרשת, לצד הצגת התוצאות, גם בחינה ביקורתית של מקורות השגיאה.
דו"ח זה מציג שלושה ניסויים המשלימים זה את זה: הראשון בוחן את ההמרה של אנרגיה פוטנציאלית כובדית לאנרגיה קינטית באמצעות כדורים המשוחררים ממסילה בגבהים שונים, השני קובע את קבוע הקפיץ מתוך מדידת התארכותו תחת העמסות שונות, והשלישי בוחן את ההמרה של אנרגיה פוטנציאלית אלסטית לאנרגיה פוטנציאלית כובדית. הדו"ח נפתח במטרות המעבדה וברקע התיאורטי, ממשיך בתיאור מערכות הניסוי ומהלכן, ומציג לאחר מכן את עיבוד התוצאות, הדיון, המסקנות והסיכום.
מטרות המעבדה
מטרות מעבדה זו הן לבדוק את התקיימותו של חוק שימור האנרגיה במעבר בין אנרגיה פוטנציאלית לאנרגיה קינטית, כמו גם במעבר בין אנרגיה פוטנציאלית אלסטית לאנרגיה פוטנציאלית. בנוסף, המעבדה שואפת למדוד את קבוע הקפיץ על ידי בחינת השפעת משקולות שונות על אורך הקפיץ, ולנתח את הקשרים בין הכוח המופעל על הקפיץ לשינוי באורכו. לבסוף, המעבדה נועדה לפתח את היכולת לכתוב דו"חות מדעיים ברורים ומסודרים, תוך שמירה על כללי הכתיבה האקדמית והצגת הממצאים בצורה מקצועית, בהתאם לדרישות מטלת הדוח של המחלקה [5].
