Gravitační konstanta
Použité senzory: Mikrofon (funkce Akustické stopky)
Kategorie: Akustika, dynamika
Potřeby: chytrý telefon s nainstalovanou aplikací Phyphox, nafukovací balónky, kovové závaží, stojan, metr, kovová podložka, obruč, jehla (trpělivost při prvních pokusech)
Motivace: youtube.com/watch?v=AcWzZVhw4HU (Pupendo)
Teorie
Díky působení tíhové síly se těleso pohybuje volným pádem s tíhovým zrychlením (g). Účinky tíhové síly se projevují v tíhovém poli Země (vytvořené gravitační a odstředivou silou, která vzniká v důsledku rotace Země). Tíhová síla nemá na všech místech na Zemi stejnou velikost, protože se mění s velikostí síly odstředivé a se zeměpisnou šířkou (nejmenší na rovníku a největší na pólech) a s nadm. výškou [1], přičemž při hladině moře na zeměpisné šířce 45° je g přibližně rovno 9,81 m/s².
Postup
Budeme postupovat podle schématu na Obr. 1. Nafoukneme balonek a přiděláme na něj závaží. Vložíme ho do obruče, která je přidělaná na stojánku. Změříme výšku závaží nad podlahou.
Obrázek 1. Schéma experimentu.
Nyní otevřeme aplikaci Phyphox (Obr. 2), kde spustíme funkci "Akustické stopky", přejdeme do záložky "Stručně" a stopky spustíme pomocí tlačítka "Play" v horní levé části. Pokud se nám stopky samy od sebe spouští, musíme zvýšit "Práh měření". Dále nastavíme "Minimální zpoždění", a to podle výšky balonku (zde pracujeme podle zkušeností, popř. si musíme rychle spočítat, jak dlouho by měl pád trvat a hodnotu nastavit těsně pod ním). To děláme z důvodu, aby se nám stopky nezapínaly/nevypínali kvůli odrazům zvuku od stěn.
Obrázek 2. Nastavení v aplikaci Phyphox.
Mobilní telefon položíme poblíž stojanu s balonkem a závažím (ne pod závaží). Praskneme balónek pomocí jehly, díky čemuž se spustí akustické stopky v aplikaci Phyphox. Závaží při dopadu na zem (kovovou podložku) vytvoří zvuk, díky čemuž se akustické stopky zastaví. Nyní můžeme buď vypočítat hodnotu g ze vzorce
g = 2h / t²
nebo můžeme pokus opakovat pro několik výšek a vytvořit graf závislosti doby pádu na výšce (Obr. 3).
Obrázek 3. Závislost doby pádu na výšce.
Poznámky
Je třeba dostatečně těžké závaží, aby prasknutí balonku nezměnilo směr pádu. Balonek je třeba nafukovat na co nejmenší velikost, ale tak, aby se udržel v obruči. Je nutné, aby byl ve třídě klid a správně nastavit hladinu hluku. Podle výšky závaží je třeba nastavit minimální zpoždění, aby stopky nechytaly ozvěnu. Pro přesnější výsledky je dobré měřit na několika mobilech a udělat průměr (popř. vyloučit výsledky, které jsou hodně odchýlené od ostatních). Pokud máme drahou podlahu, je nutná podložka.
[1] cs.wikipedia.org/wiki/T%C3%ADhov%C3%A9_zrychlen%C3%AD#T%C3%ADhov%C3%A9_zrychlen%C3%AD_na_Zemi
Demonstrační videa (v angličtině a němčině):