Praktischer Aufbau zur Messung der Winkelgeschwindigkeit

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?

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.

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.

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.

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.

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

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.