Демонстрациони огледи

Равномерно кретање тела може се приказати помоћу колица која се крећу по глаткој хоризонталној платформи (слика 1). Обележавањем положаја на платформи, који се налазе на једнаким међусобним растојањима, платформа је подељена на једнаке дужине. Колица се покрећу ослобађањем сабијене еластичне опруге која се налази на граничнику платформе или се једноставно могу гурнути руком. Након покретања, колица се крећу слободно пошто се сила трења и сила отпора ваздуха могу занемарити. Временски интервали за које колица прелазе путеве између обележених положаја мере се помоћу хронометра. Њиховим упоређивањем лако је уочити да се они не мењају, што значи да се колица крећу равномерно, јер путеве једнаке дужине прелазе у једнаким временским интервалима. Такође се непосредним посматрањем може приметити да брзина колица током кретања остаје иста.

На сличан начин се приказује и равномерно­убрзано кретање. Колица се преко канапа и котура, који се налази на једном крају платформе, повежу са тегом који виси и поставе у почетни положај. Када се тег пусти да пада, он повлачи и колица која почињу да се крећу. Упоређивањем временских интервала између проласка колица кроз обележене положаје, може се уочити да се њихово трајање смањује. Колица путеве једнаке дужине прелазе у све краћим временским интервалима, што указује на убрзано кретање колица. Исто као и у претходном случају, непосредним посматрањем се може приметити да брзина колица расте током кретања.

Помоћу дугачке провидне цеви са водом, у којој се налази мали ваздушни мехур, може се демонстрирати равномерно кретање. Када је цев у вертикалном положају, ваздушни мехур ће се налазити на врху. Ако се цев заротира за 180° тако да се мехур нађе на доњем крају, он ће почети да се “пење“ ка другом крају цеви (слика 2). Ако је цев обележена подеоцима, помоћу хронометра се може утврдити да мехур у једнаким временским интервалима прелази једнака растојања, што значи да је кретање мехура равномерно.

Брзина мехура зависи од положаја цеви, односно од угла под којим је постављена у односу на хоризонтану подлогу. Брзина је највећа када је цев постављена вертикално, а када је цев у хоризонталном положају мехур ће мировати. Приметићемо да је кретање мехура равномерно само при константном нагибу цеви током његовог кретања.

Уколико се током подизања мехура цев лагано ротира из хоризонталног ка вертикалном положају, може се приметити како брзина мехура расте са променом нагиба цеви. На тај начин можемо демонстрирати и убрзано кретање мехура.

Дигитални хронометар са сензорима положаја је прецизан уређај за мерење временских интервала где се почетак мерења временског интервала аутоматски активира, прекидом оптичке везе између једног од два пара оптичких сензора и завршава се на исти начин. Оптичка веза се прекида проласком колица поред сензора (слика 3). Помоћу овог инструмента могуће је прецизно одређивати средњу брзину колица и у релативно малим временским интервалима, што није могуће постићи употребом обичног хронометра који се активира ручно. За разлику од тренутне брзине, која као векторска величина има свој правац, смер и интензитет, средња брзина је скаларна величина и представља количник укупног пређеног пута и укупног времена кретања.

У огледу са колицима која се крећу праволинијски очигледно је да тренутна брзина има исти правац и смер у свакој тачки путање. Код равномерног кретања интензитет тренутне брзине се такође не мења током кретања и једнак је средњој брзини колица, што се може показати. Прво се постављањем фотосензора на почетак и крај платформе одреди средња брзина колица на целој путањи. Затим се фотосензори мало приближе, чиме се скраћује пређени пут, и поново се одреди средња брзина, која ће имати исту вредност јер је и време кретања било краће. Са даљим смањивањем дужине пута, смањиваће се и временски интервали у којима се одређује средња брзина, а резултати ће, у границама грешке, увек бити исти. Пошто је, по дефиницији, интензитет тренутне брзине једнак средњој брзини у веома малом временском интервалу, може се закључити да је код равномерног кретања средња брзина колица једнака интензитету тренутне брзине у било ком тренутку кретања.

Код равномерно убрзаног кретања, у случају колица са тегом, интензитет тренутне брзине се непрестано мења, заправо расте са константним убрзањем. Да би се то илустровало потребно је на сличан начин као у претходном огледу одредити средњу брзину колица у малом временском интервалу и то први пут на самом почетку, а затим на средини и на крају платформе. Упоређивањем резултата види се да брзина колица током кретања расте.

Један од најчешће помињаних примера ротационог кретања јесте ротација Земље. Помоћу једноставног модела Земље и центрифугалне машине може се приказати ротационо кретање Земље. Модел Земље састоји се од два кружно савијена метална обруча који су спојени са вертикалном металном шипком тако што је доњи део обруча чврсто фиксиран за шипку а горњи део може да клизи дуж ње. Шипка придржава оба кружна обруча, а уједно представља и њихову заједничку осу ротације, као што је приказано на слици. Модел се се фиксира на центрифугалну машину и када се заротира еластични обручи попримају облик елипсе, као на слици 4. Приликом ротације све тачке на обручу крећу се кружно и описују исти угаони померај, имају исту угаону брзину и угаоно убрзање. Посматрањем је лако приметити да се различите тачке на обручу крећу различитим брзинама, јер се делови обруча који су удаљенији од осе ротације крећу већом брзином од делова који су ближи оси. Такође, померај и убрзање различитих тачака на истом растојању од осе ротације имају исте вредности, јер на исти начин зависе од растојања тачке од осе ротације. Дакле, угаоне кинематичке величине којима се описује ротација тела исте су за све појединачне тачке које припадају том телу и које врше кружно кретање, али се линијске кинематичке величине разликују за различите тачке и зависе од њиховог растојања од осе ротације.

Чињеницом да су линијске кинематичке величине различите за различите тачке тела се објашњава и зашто су се приликом ротације кругови деформисали у елипсе и зашто Земља има облик спљоштене лопте. Обе деформације су последица ротационог кретања и настају због центрифугалне силе која делује на све делове тела које ротира. Центригугална сила делује на све делове тела у правцу нормалном на осу ротације, и у смеру од осе ротације. Интензитет центрифугалне силе сразмеран је интензитету центрипеталног убрзања, а делови који су удаљенији од осе ротације имају веће центрипетално убрзање. Због тога и центрифугална сила, која делује на делове тела који су удаљенији од осе ротације, има већи интензитет, што доводи до деформације тела приликом ротације.