Opis poskusa
Najprej smo izvedli nekaj uvodnih, kvalitativnih poskusov, s katerimi smo pridobili občutek za potek izstrelitve in identificirali ključne parametre, ki vplivajo na hitrost izstrelka.
V tej fazi smo kovinski ravnili začasno spojili z lepilnim trakom in ju stisnili z roko. Podoben preizkus smo izvedli tudi z lesenima deščicama. Kot izstrelek smo uporabljali različne pokrovčke. Ugotovili smo, da ima trenje med izstrelkom in površino ravnilostrela pomemben vpliv na uspešnost izstrelitve – pri lesenih deščicah večine pokrovčkov sploh ni izstrelilo. Opazili smo tudi, da je izstrelitev lažje uspela pri pokrovčkih z večjim radijem. Na podlagi teh opažanj smo oblikovali načrt za izboljšano verzijo ravnilostrela, ki omogoča ponovljivo izstrelitev z merljivo silo in testiranje naše razlage.
Za zapiranje krakov ravnilostrela smo uporabili vzmet, saj ima merljivo in med ponovitvami konstanto silo. Vsak krak je bil sestavljen iz precej toge lesene deščice, na katero smo prilepili raven aluminijast profil. Na ta način smo zmanjšali trenje med izstrelkom in površino, kar je omogočilo bolj zanesljivo izstrelitev več različnih pokrovčkov. Oba kraka smo nato privijačili na skupen tečaj. V kasnejši fazi smo želeli preučiti vpliv prožnosti krakov na hitrost izstrelka. Zato smo takrat odstranili večji del lesenega sloja in pustili le aluminijast profil, ki se je lahko prosto zvijal.
Merjenje hitrosti izstrelka
Kot izstrelke smo uporabili tri različne plastične pokrovčke, katerim smo predhodno izmerili maso s kuhinjsko tehtnico in radij s kljunastim merilom z ločljivostjo 0,05 mm. Absolutno napako mase smo ocenili na 1 g, kar ustreza ločljivosti tehtnice. Kljub visoki ločjivosti kljunastega merila smo ocenili absolutno napako premera na 0,5 mm, saj pokrovčki niso popolnoma krožne oblike, so stisljivi, merjenje vključuje tudi človeški faktor pravilne postavitve čeljusti merila. Poskus smo izvedli z uporabo štirih različnih tipov vzmeti. Za vsako kombinacijo pokrovčka, vzmeti in togosti oziroma prožnosti krakov smo izstrelitev ponovili 10-krat. Kot ob izstelitvi je znašal okrog 90°, napako tega pa smo ocenili kot 2,5°.
Izstrelitve smo posneli s telefonom, ki omogoča snemanje pri 240 sličicah na sekundo. Ob poti pokrovčka smo postavili merilo, ki je služilo kot dolžinska referenca pri analizi posnetkov. Na pokrovček smo narisali črto, ki poteka od središča do roba, ki nam je omogočila določitev lege središča pokrovčka in spremljanje njegovega premika v posameznem časovnem intervalu. Hitrost smo izračunali kot količnik premika središča pokrovčka med dvema sličicama in pripadajočega časovnega intervala. Črta je bila uporabna tudi za opazovanje vrtenja pokrovčka. Osredotočili smo se na hitrost, ki jo ima pokrovček takoj po tem, ko zapusti ravnilostrel. Za analizo gibanja izstrelkov smo uporabili program Tracker.
Hitrost smo določali na podlagi šestih sličic pri vsakem posnetku. S tem smo dobili več vrednosti za premik v posameznih časovnih intervalih, kar nam je omogočilo, da preverimo konsistentnost hitrosti iz različnih intervalov. Nato smo izračunali povprečje hitrosti in določili njegovo absolutno napako Δv in standardno deviacijo σv. V večini primerov so bile izstrelitve med seboj relativno podobne, kar se odraža tudi v majhnih standardnih odklonih izmerjenih hitrosti. Posnetki, ki so izstopali, so bili iz analize izpuščeni. Izjema je bil modri pokrovček, kjer je bila med obema izstrelitvama zaznana večja razlika v hitrosti. Ker sta bili izvedeni le dve meritvi, je bila tudi negotovost večja. V ostalih primerih, kjer smo imeli po deset meritev, so bile izmerjene hitrosti bistveno bolj skladne.
Merjenje sile vzmeti
En krak ravnilostrela smo pritrdili na podlago. Glede na pritrjen krak smo označili kote med 0° in 90° z geotrikotnikom na vsakih 10°. Nato smo drugi krak z ročnim silomerom z ločljivostjo 0,05 N držali čim bolj pravokotno na krak in si zabeležili silo potrebno za zadrževanje kraka pri označenih kotih. Merilnim točkam smo prilagodili funkcijo oblike z metodo ortogonalne regresije (Orthogonal Distance Regression), saj meritve vsebujejo negotovosti tako v kotu φ kot tudi v izmerjenih vrednostih sile. Absolutne napake parametrov smo ocenili iz diagonale kovariančne matrike, ki jo vrne postopek prileganja.
Merjenje koeficientov trenja in lepenja
Izmerili smo koeficiente trenja in lepenja med aluminijastim profilom in pokrovčki ter med pokrovčki in tlemi. Trenje smo izmerili tako, da smo pokrovčke, obtežene z 1 kg utežjo, vlekli po vodoravni površini z ročnim silomerom, ki je beležil silo vsakih 0,02 s med vlečenjem. Poskušali smo vleči s čim bolj konstantno hitrostjo in vzporedno s podlago. Z dodatno obtežitvijo smo zmanjšali vpliv šuma meritve, ki je posledica ločljivosti silomera, kot tudi človeka. Vlekli smo 30 s in za vsako kombinacijo pokrovčka in podlage ponovili poskus 5-krat. Nato smo izračunali povprečje vseh meritev in izračunali njegovo absolutno napako s standardno deviacijo. Koeficient trenja smo dobili kot kvocient povprečne sile in vsote mase uteži in pokrovčka. Relativno napako koeficienta trenja pa smo določili kot vsoto relativnih napak povprečne sile in mase pokrovčka, saj je bila relativna napaka uteži zanemarljiva.
Lepenje smo izmerili tako, da smo na mirujoče pokrovčke, obtežene z utežjo mase 1 kg, povečevali vlečno silo dokler ni obtežen pokrovček zdrsnil. Takrat smo takoj prenehali vleči pokrovček. Vlekli smo z ročnim silomerom čim bolj vzporedno s podlago. Merili smo 1 min in ponovili poskus 3-krat, kar je približno 100 zdrsov. Nato smo izračunali povprečje maksimumov na grafu sile v odvisnosti od časa, ki jo je beležil silomer. Koeficient lepenja in njegovo napako smo izračunali podobno kot pri trenju.