🎡

Lab 63 — ลูกตุ้มกรวย (Conical Pendulum) (3D)

Conical Pendulum — ดึงลูกตุ้มออกให้อยู่เหนือวงกลมอ้างอิง ผลักด้วยความเร็วที่พอดีให้เคลื่อนที่เป็นวงกลมในแนวระดับ · จับเวลา N รอบ · T = 2π√(h/g) · กราฟ T² กับ h หาค่า g · ทดลองบนดาวปริศนา

3D · three.js KP Science simulation
⚠️ โหลดไลบรารี 3D (three.js) ไม่สำเร็จ — ต้องเชื่อมต่ออินเทอร์เน็ต
ยังทดลองได้จากภาพ 2 มิติด้านล่าง
📐 ภาพมองจากด้านบน (รอยทาง 3 วินาทีล่าสุด) · ภาพด้านข้าง · นาฬิกา
โหมดการทดลอง
ตารางบันทึกผลและค่า g ของดาวปริศนาไม่เปลี่ยน
🧭 ตอนนี้ต้องทำอะไร
🧰 ตั้งอุปกรณ์
สถานที่ทดลอง
ลูกตุ้ม (มวล)
ความยาวเชือก L100 cm
รัศมีวงกลมอ้างอิง r30 cm
L วัดจากจุดแขวนถึงจุดศูนย์กลางลูกตุ้ม · วงกลมอ้างอิงวาดบนแผ่นใสใต้ลูกตุ้ม (r ไม่เกิน 0.6L)
👉 ผลักลูกตุ้ม
แรงผลัก (ความเร็วต้นในแนวสัมผัสวงกลม)
เบาแรง
ผลักเบาไป → ลูกตุ้มวิ่งเข้าในวง · แรงไป → ออกนอกวง · พอดี → วิ่งทับวงกลมอ้างอิงเป็นวงกลม
⏱ นาฬิกาจับเวลา
เวลา0.00 s
จำนวนรอบที่นับ0
เริ่มนาฬิกาเมื่อลูกตุ้มผ่านธงสีเหลือง · ตัวนับรอบนับการผ่านธง · กดหยุดเมื่อครบ N รอบพอดี
📝 บันทึกผล
จำนวนรอบ Nรอบ
เวลา ts
📋 ตาราง
📈 กราฟ T² กับ h

วัตถุประสงค์

อุปกรณ์ (เสมือนจริง)

การใช้งาน Simulation

ขั้นตอน

ตอน A — คาบกับความสูงกรวย (บนโลก)

  1. ใช้ลูกตุ้ม 100 g · L = 100 cm · r = 20, 30, 40, 50, 60 cm (h เปลี่ยน)
  2. ผลักให้เป็นวงกลม จับเวลา 10 รอบ บันทึก
  3. เปลี่ยน L เป็น 60 cm และ 140 cm ทำอีก 2–3 ค่า

ตอน B — มวลมีผลหรือไม่

  1. L = 100 cm · r = 40 cm · ทำซ้ำด้วยลูกตุ้ม 50, 100, 200 g เปรียบเทียบคาบ

ตอน C — หา g ของดาวปริศนา

  1. เลือก 🪐 ดาวปริศนา ทำอย่างน้อย 5 ค่า h แล้วดูความชันของกราฟ T² กับ h

วิธีคำนวณ (ตารางคำนวณให้อัตโนมัติ)

h = √(L² − r²) T = t / N
T = 2π√(h/g) → T² = (4π²/g) · h
ความชันกราฟ T² กับ h = 4π²/g → g = 4π² / ความชัน

คำถามท้ายการทดลอง

  1. เมื่อ L คงที่ ถ้ารัศมีวงกลมเพิ่มขึ้น คาบเพิ่มขึ้นหรือลดลง ทำไม
  2. แรงใดทำหน้าที่เป็นแรงสู่ศูนย์กลางของลูกตุ้ม
  3. ลูกตุ้มกรวยสองอันที่ความสูง h เท่ากัน แต่ L และ r ต่างกัน จะมีคาบเท่ากันหรือไม่
  4. ถ้ามุมเชือกเล็กมาก (r เล็กมาก) คาบของลูกตุ้มกรวยใกล้เคียงกับคาบของลูกตุ้มอย่างง่ายความยาว L หรือไม่
  5. บนดาวที่มี g มากกว่าโลก ต้องผลักลูกตุ้มแรงขึ้นหรือเบาลงเพื่อให้ได้วงกลมรัศมีเดิม

1. แรงที่กระทำต่อลูกตุ้มกรวย

v = √(g r tan θ) = r√(g/h) T = 2π/ω = 2π√(h/g) = 2π√(L cos θ / g)

คาบไม่ขึ้นกับมวลของลูกตุ้ม และขึ้นกับความสูงของกรวย h เท่านั้น · เมื่อมุมเล็กมาก cos θ ≈ 1 คาบจึงใกล้เคียงคาบของลูกตุ้มอย่างง่าย 2π√(L/g)

2. ถ้าผลักไม่พอดี

💡 แบบจำลองใน simulation: คำนวณการเคลื่อนที่ของลูกตุ้มทรงกลมเต็มรูปแบบ 3 มิติ (ไม่ประมาณมุมเล็ก) ด้วยเชือกยาวคงที่ · แรงต้านอากาศแบบเชิงเส้นเล็กน้อยทำให้วงหดลงราว 0.5–1% ต่อรอบ · ไม่คิดมวลเชือก · g โลก = 9.81 m/s² · ดาวปริศนาสุ่ม g ระหว่าง 3–25 m/s² ครั้งเดียวต่อการเปิดหน้า