Praktischer Aufbau zur Messung der Winkelgeschwindigkeit

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Ich habe einen Kreisel von einem kanadischen Hersteller und bin zutiefst erstaunt, wie ordentlich er sich dreht.

Mein Interesse an Physik hat mich dazu gebracht herauszufinden, mit welcher Höchstgeschwindigkeit ich das Oberteil drehen kann und wie sich dies im Vergleich zu anderen Oberteilen aus anderen Materialien und anderen Formen verhält.

Ich habe einen kleinen Aufkleber darauf geklebt und ihn mit der Kamera meines Telefons aufgenommen, aber die Bildrate ist viel zu langsam, um die Anzahl der Umdrehungen im Laufe der Zeit zählen zu können.

Ich habe keinen Zugang zu speziellen Geräten, kann aber Volumen, Masse, Dichte, Temperatur und wahrscheinlich auch das Trägheitsmoment messen oder approximieren. Wie messe ich die Winkelgeschwindigkeit der Oberseite?

measurements applied-mechanics

— ahemmetter
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Technisch wird die Höchstgeschwindigkeit zu Beginn des Schleuderns erreicht; Die Geschwindigkeit des Kreisels nimmt dann offensichtlich aufgrund von Reibung ab. Was Sie also messen werden, ist eher eine Durchschnittsgeschwindigkeit während eines Zeitraums, der "repräsentativ" für die Rotationsgeschwindigkeit des Tops ohne zu viel Reibung ist. Die Frage ist dann, wie bestimmen Sie einen solchen Zeitraum?

Eine andere Idee wäre, eine Schnur anzubringen und die Anzahl der Umdrehungen in einer bestimmten Zeit zu ermitteln. Der vergrößerte Radius der "Spule" könnte die Reibung und die langsamere Winkelgeschwindigkeit etwas ausgleichen.

— Ahemmetter

Ja, die Höchstgeschwindigkeit ist schwer zu messen, aber die Durchschnittsgeschwindigkeit zu Beginn des Spinnens ist das, wonach ich gefragt habe

— Ahemmetter

Sie können relativ kostengünstige optische Drehzahlmesser kaufen, die entweder mit einem reflektierenden Aufkleber oder in vielen Fällen mit einer ausreichenden optischen Variation pro Umdrehung arbeiten. Mit etwas Arbeit könnten Sie dieses 5-Dollar-Modul zum Laufen bringen oder Sie können komplette wie diese ab etwa 12 Dollar

— Russell McMahon

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Die Lektion hier lautet: Befolgen Sie nicht die Ratschläge zufälliger Benutzer, ohne nach offiziellen Anweisungen zu suchen . Im Idealfall hätten Sie die Frage auf der ursprünglichen Website gelöscht, bevor sie beantwortet wurde, oder die Hilfe eines Moderators in Anspruch genommen, um die Frage hier zu migrieren . Jetzt haben wir zwei gleiche Fragen an zwei Standorten beantwortet, was nicht ideal ist, aber kaum das Ende der Welt. Denken Sie beim nächsten Mal daran, und die Moderatoren werden sich von hier aus darum kümmern.

— Air

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Es gibt verschiedene Möglichkeiten.

Am direktesten ist es, die Hälfte des oberen Weiß und das andere Schwarz zu malen und dann etwas mit einem Lichtsensor darauf zu richten. Wechselstrom verstärkt den Ausgang ein wenig und bestimmt dann die Frequenz. Dies kann ein absichtlicher Frequenzzähler sein, ein Bereich, der die Frequenz direkt anzeigt, oder ein Mikrocontroller, den Sie programmieren, um die Periode zu finden und Ihnen letztendlich die Frequenz anzuzeigen.

Eine Standardmethode wird als Strobe Tach bezeichnet . Dies ist keine direkte Frequenzmessung, kann aber trotzdem ziemlich gut funktionieren. Es ist ein Blitz, der mit einer kalibrierten Rate blinkt, die Sie einstellen können. Sie stellen das Blinken des Stobes so ein, dass der Kreisel "einfriert", und sehen dann, auf welche Frequenz der Blitz eingestellt ist.

Noch eine andere Möglichkeit, das Oberteil auf etwas zu setzen, das mit einem Mikrofon verbunden ist. Es wird unvermeidlich ein Ungleichgewicht geben, das Vibrationen bei der Rotationsfrequenz verursacht. Dies kann verstärkt und die Frequenz wie das Lichtsignal im ersten Vorschlag bestimmt werden.

Wenn Sie das sich drehende Ding magnetisieren können, können Sie einen magnetischen Aufnehmer verwenden, um ein ähnliches Signal zu erhalten, das der Lichtsensor oder das Mikrofon erzeugen würde.

— Olin Lathrop
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Die wahrscheinlich einfachste praktische Methode zur Messung der Frequenz eines Kreisels mit alltäglichen Geräten besteht darin, den durch die Bewegung erzeugten Schall zu analysieren und nach der charakteristischen Frequenz zu suchen. Dies kann mit einer Spektrumanalysator-App erfolgen, die für die meisten Smartphones kostenlos verfügbar sein sollte.

Stellen Sie den Kreisel in die Nähe des Mikrofons des Telefons und zeichnen Sie den Ton mit der Spektrumanalysator-App auf. Sie sollten mehrere Spitzen im Frequenzspektrum sehen, die sich langsam zu niedrigeren Frequenzen bewegen, während sich die Oberseite nach unten dreht. Die niedrigste sollte die Rotationsfrequenz sein, und die anderen sind Harmonische bei ganzzahligen Vielfachen.

Um ein klares Signal zu erhalten, benötigen Sie die Oberseite, um einen messbaren Klang zu erzeugen. Das Auflegen auf einen hohlen Resonator kann hilfreich sein. Wenn sich die Oberseite auf einer Oberfläche dreht, die eine gewisse Rauheit aufweist, wird der Klang erheblich verbessert, es kann jedoch zu Störungen beim Messen kommen.

Kreisel

Das Bild zeigt einen Schnelltest, den ich gerade gemacht habe. Ich habe eine iPhone-App namens "Spectrum Analyzer" verwendet, die einen schönen Spektrogramm-Modus hat. Wie Sie sehen können (obwohl die Skala zugegebenermaßen schwer zu lesen ist), hat mein Top einen Sound erzeugt, dessen niedrigste Frequenzkomponente bei etwas mehr als 100 Hz begann. Die Winkelgeschwindigkeit betrug also ungefähr 600 rad / s.

— Emil
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+1 Es ist lustig, dass dies eine so einfache Methode ist, aber vor 5 Jahren wäre sie den meisten Menschen nicht zugänglich gewesen.

— Chris Mueller

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Sie können das Wagenrad oder den Stroboskop- Effekt verwenden und zählen, wie oft die wahrgenommene Drehung die Richtung umgekehrt hat, bis sie gestoppt wird.

Auf diese Weise erhalten Sie die Drehzahl ohne eine Super-Zeitlupenkamera.

— Ratschenfreak
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$T_p = 4\pi^2 I / mgrT_s$

Ist r der Abstand zwischen dem Fixpunkt (auf der Oberfläche) und dem Schwerpunkt? Außerdem bin ich mir ziemlich sicher, wie groß der senkrechte Abstand ist, den Sie geschrieben haben. Kreuzen sich diese Achsen nicht im Fixpunkt?

— Ahemmetter

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Die Antwort könnte sein, ein schnelles LED-Stroboskoplicht zu beschaffen. Wie einfach / teuer dies sein wird, hängt von der Winkelgeschwindigkeit ab, mit der Sie es zu tun haben. Es gibt sogar einige Telefon-Apps, die mäßig schnell sind.

Sie stellen die Geschwindigkeit des Stroboskops so ein, dass die Markierung auf Ihrem Kreisel stationär erscheint. Dies wird jedoch schwierig sein, da die Geschwindigkeit nicht konstant sein wird.