Astronomie

Quelles sont les cinématiques/dynamiques derrière le mouvement ?

Quelles sont les cinématiques/dynamiques derrière le mouvement ?


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https://www.timeanddate.com/eclipse/in/@8133395?iso=20200621

Le lien que j'ai joint est un modèle prédit pour l'éclipse dans ma région ! Je suis très confus au sujet du mouvement de la lune analogue à la vidéo dans le lien. Communauté, le mouvement ressemble à une courbe parabolique et sans aucun doute le modèle le dit très bien. À d'autres égards, le mouvement apparaît également comme le rebond d'un objet ! Je l'ai peut-être interprété dans un mauvais sens ou peut-être pas mais ce n'est pas grave ;-). Une réponse détaillée serait un élément à retirer de cette question. Aussi, je suppose que c'est une question de dynamique orbitale.

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Imaginez que vous regardez une voiture rouler dans la rue de droite à gauche (devant un immeuble. Elle va de droite à gauche.

Imaginez maintenant que vous regardez cette voiture avec votre tête sur votre épaule gauche. La voiture va du bas de votre point de vue vers le haut.

Si vous bougez la tête au passage de la voiture, vous la verrez venir de la droite mais repartir vers le haut de votre point de vue. Cela ne signifie pas que la voiture change de direction, seule votre tête tourne.

Ceci est pertinent car la rotation de la Terre signifie que pendant le temps de l'éclipse, votre tête tourne. Si vous faites une représentation qui maintient le niveau de l'horizon et le soleil au centre, le mouvement de la lune par rapport au soleil semblera se courber. Cela n'a rien à voir avec le mouvement réel de la lune, c'est juste un effet de la rotation de l'observateur par la rotation de la Terre.


Cinématique

La cinématique, lorsqu'elle est appliquée à l'atmosphère, fait référence à la fois à la description du mouvement de l'air et au mouvement de motifs décrivant d'autres propriétés de l'air, telles que la teneur en humidité, la température et la pression. Cette description est sans égard aux forces et autres processus physiques qui provoquent les mouvements. Le mouvement de l'air lui-même est un facteur causal important pour de nombreux changements de modèle des autres propriétés de l'air. Des séquences quotidiennes de cartes météorologiques montrant l'écoulement horizontal du vent et le mouvement des modèles de pression et de température dramatisent la perspective cinématique de l'atmosphère.

Cet article présente un aperçu de la cinématique atmosphérique comme suit. Tout d'abord, nous examinons une brève perspective historique. Ensuite, les caractéristiques de base et les descripteurs du mouvement de l'air sont passés en revue. Enfin, des exemples du large éventail d'applications de l'analyse cinématique pour l'atmosphère sont présentés.


Contenu

Le terme cinématique est la version anglaise de A.M. d'Ampère cinématique, [9] qu'il a construit à partir du grec κίνημα cinéma ("mouvement, mouvement"), lui-même dérivé de κινεῖν kiné ("bouger"). [10] [11]

Cinématique et cinématique sont liés au mot français cinéma, mais aucun n'en est directement dérivé. Cependant, ils partagent un mot racine en commun, car cinéma vient de la forme abrégée de cinématographe, "projecteur de cinéma et caméra", encore une fois du mot grec pour mouvement et du grec γρᾰ́φω graphique ("écrire"). [12]


Cette rubrique contient une sélection d'unités conçues pour vous aider à enseigner le mouvement. Les unités comprennent les cadres de référence, les compétences graphiques, le mouvement dans une dimension, le mouvement dans plus d'une dimension, les vecteurs, etc. Les unités ne sont pas répertoriées dans un ordre prescrit.

Graphiques (18)

Plans de cours :

Un excellent plan de cours développé spécifiquement pour accompagner la simulation PhET "The Moving Man". Les étudiants ayant peu de connaissances préalables en interprétation de graphiques comprendront mieux les graphiques de vitesse en fonction du temps et en quoi ils diffèrent de la position en fonction du temps. Adaptable aussi bien au collège qu'au lycée. Noter: Vous devez être un utilisateur enregistré pour accéder aux ressources fournies par les enseignants PhET. L'inscription est facile et gratuite.

Il s'agit d'une leçon gagnante PhET Gold Star qui aide les étudiants à développer leurs compétences dans l'interprétation des graphiques de mouvement. Il accompagne la simulation PhET "The Moving Man" (voir le lien ci-dessous) et comprend des questions conceptuelles Power Point prêtes pour la classe, un guide de l'étudiant et des évaluations. Noter: Cette leçon est appropriée pour les étudiants plus avancés que la leçon énumérée directement ci-dessus. Vous devez être un utilisateur enregistré pour y accéder, mais l'inscription est gratuite.

Les élèves du secondaire peuvent souvent enregistrer des données et « plug & chug », mais ont plus de difficulté à ajuster ou à interpréter les données. Cette unité exemplaire de deux semaines sur l'analyse des données présente aux étudiants la méthode statistique connue sous le nom de régression des moindres carrés. À l'aide d'un outil en ligne pour tracer des données, les élèves calculent ensuite des droites de régression et ajustent les données aux paramètres estimés.

Activités:

Ce graphique numérique gratuit est particulièrement convivial pour les apprenants débutants. Les élèves peuvent choisir parmi cinq types de graphiques : barres, lignes, aires, secteurs et X/Y. Divers motifs, couleurs, grilles et choix d'étiquettes sont disponibles pour permettre la personnalisation. Des valeurs minimales et maximales peuvent être définies pour limiter l'échelle du graphique.

Ce site Web contient une collection de courtes vidéos illustrant les processus physiques couramment abordés dans les cours débutants. Les positions des objets dans l'image vidéo peuvent être visualisées en mouvement pas à pas ou en temps réel, puis mappées sur un logiciel d'analyse vidéo, permettant des mesures et des graphiques plus précis.

Cet ensemble de onze défis interactifs aidera les élèves à maîtriser les graphiques animés. Chaque défi demande à l'élève de faire correspondre le mouvement d'une voiture animée au bon graphique position/temps ou vitesse/temps. L'activité fournit suffisamment de répétitions pour aider les apprenants à comprendre de manière significative pourquoi les graphiques apparaissent comme ils le font.

Cette activité associe un laboratoire de détection de mouvement à une modélisation graphique numérique. Les élèves utilisent l'outil d'esquisse de graphique en ligne pour prédire des graphiques de distance en fonction du temps et de la vitesse en fonction du temps. Ensuite, ils utilisent un capteur de mouvement pour collecter des données sur un vrai jouet poussé sur une rampe. Enfin, ils analysent les différences entre leurs prédictions et les données réelles. Fortement recommandé par les éditeurs. Pour les débutants, essayez d'abord d'introduire l'activité directement ci-dessus.

Manœuvrez un homme simulé et observez des graphiques simultanés de sa position, de sa vitesse et de son accélération. Pour les apprenants débutants, le graphique d'accélération peut être fermé. Essayez d'associer cette simulation avec les excellentes leçons d'accompagnement par des camarades enseignants PhET, trouvées sous "Plans de cours" ci-dessus. Ressource très polyvalente adaptable à un large éventail de capacités/niveaux.

Cette activité graphique interactive explore les effets de la gravité sur les objets légers et lourds. Il donne aux apprenants un moyen de faire des prédictions, de comparer rapidement leurs prédictions avec des données réelles et d'analyser pourquoi les prédictions étaient bonnes ou fausses. C'est l'une des rares ressources que nous avons vues dans lesquelles la gravitation universelle, l'accélération constante, la pente de la ligne et la représentation graphique du mouvement en chute libre peuvent toutes être explorées de manière significative en une seule période de cours. Comprend un plan de leçon et une évaluation avec clé de réponse.

Références et Collections :

Cet ensemble de leçons étudie le langage de la cinématique (la physique du mouvement). Il est conçu pour aider les élèves à comprendre que la signification scientifique de mots comme « vitesse » et « accélération » est différente de leur utilisation dans le langage courant.

Cet outil robuste basé sur un navigateur permet aux utilisateurs d'effectuer des calculs, de partager des conceptions et de créer des ressources de tableau blanc interactif. Choisissez parmi des grilles cartésiennes ou polaires, sélectionnez la mesure d'angle en degrés ou en radians et affichez des graphiques paraboliques sous forme standard, de sommet ou d'interception. Vous pouvez effectuer un zoom avant/arrière, faire glisser un graphique sur la page et modifier les axes. La plate-forme prend également en charge les sections coniques, les expansions de Fourier et les graphiques polaires. Lorsque vous avez terminé, vous pouvez publier votre ressource ou intégrer le fichier dans un espace d'apprentissage virtuel.

Support de contenu pour les enseignants :

Un tutoriel très bien organisé sur la façon de construire et d'interpréter trois graphiques cinématiques de base : P/T, V/T et A/T. Il comprend des exemples animés, des liens vers cinq feuilles de travail et des problèmes connexes pour l'exploration des élèves.

Tutoriels étudiants :

Il s'agit d'un problème de devoirs basé sur le Web qui aide les élèves à comprendre les graphiques de vitesse en fonction du temps (v vs. t). Une séquence de questions activées par l'utilisateur guide les débutants à travers une analyse conceptuelle complète avant d'introduire les mathématiques. Basé sur les principes de la recherche en éducation physique (PER).

Un excellent didacticiel autoguidé favorise la compréhension de la "position" en tant que concept de physique. Contient plusieurs graphiques, animations et opportunités interactives permettant aux étudiants de tester leur compréhension.

Compagnon de la ressource ci-dessus, ce didacticiel en ligne explore l'importance de la pente des graphiques v-t en tant que représentation de l'accélération d'un objet. Les évaluations autoguidées aident les élèves à surmonter les idées fausses courantes.

Approche unique basée sur un modèle de prédiction de l'apprentissage. Les élèves prédisent l'apparition de graphiques de distance et de vitesse pour différents types de mouvement de marche, puis vérifient leurs prédictions avec un capteur de mouvement. Si tous les membres du groupe prédisent correctement, ils passent au problème suivant. Sinon, la tâche du groupe est d'analyser l'erreur pour voir ce qui s'est mal passé, puis d'écrire des déclarations pour modifier les idées incorrectes. La leçon a été conçue en utilisant des preuves de la recherche en éducation physique (PER).

Évaluation:

Un ensemble de devoirs (avec réponses) rédigés par l'équipe PhET pour accompagner la simulation "The Moving Man". Il évalue la compréhension des élèves des graphiques de position, de vitesse et d'accélération. Noter: Vous devez être un utilisateur enregistré de PhET pour accéder à cette ressource. L'inscription est facile et gratuite.

Voici un ensemble d'outils d'évaluation gratuits pour les élèves de la 6e à la 12e année sur des sujets liés à la physique et à la biologie. Dans le sous-sujet Force et mouvement, vous trouverez des évaluations pour évaluer la compréhension de la cinématique, la relation entre le mouvement et la force, et la quantité de mouvement. Les évaluations des diagnostiqueurs sont alignées sur la NGSS et comprennent des leçons d'élicitation (échauffements) et de développement. Après avoir terminé la leçon, les élèves répondent à des ensembles de questions numériques sur des sujets spécifiques, avec un retour immédiat fourni aux enseignants et aux apprenants. La dernière étape du processus est « Activités normatives », conçues pour cibler des zones problématiques spécifiques localisées par le diagnostiqueur.


Cette rubrique contient une sélection d'unités conçues pour vous aider à enseigner le mouvement. Les unités comprennent les cadres de référence, les compétences graphiques, le mouvement dans une dimension, le mouvement dans plus d'une dimension, les vecteurs, etc. Les unités ne sont pas répertoriées dans un ordre prescrit.

Graphique (15)

Plans de cours :

Un excellent plan de cours développé spécifiquement pour accompagner la simulation PhET "The Moving Man". Les étudiants ayant peu de connaissances préalables en interprétation de graphiques comprendront mieux les graphiques de vitesse en fonction du temps et en quoi ils diffèrent de la position en fonction du temps. Adaptable aussi bien au collège qu'au lycée. Noter: Vous devez être un utilisateur enregistré pour accéder aux ressources fournies par les enseignants PhET. L'inscription est facile et gratuite.

Il s'agit d'une leçon gagnante PhET Gold Star qui aide les étudiants à acquérir des compétences pour interpréter des graphiques de mouvement. Il accompagne la simulation PhET "The Moving Man" (voir le lien ci-dessous) et comprend des questions conceptuelles Power Point prêtes pour la classe, un guide de l'étudiant et des évaluations. Noter: Cette leçon est appropriée pour les étudiants plus avancés que la leçon énumérée directement ci-dessus. Vous devez être un utilisateur enregistré pour y accéder, mais l'inscription est gratuite.

Les élèves du secondaire peuvent souvent enregistrer des données et « plug & chug », mais ont plus de difficulté à ajuster ou à interpréter les données. Cette unité exemplaire de deux semaines sur l'analyse des données présente aux étudiants la méthode statistique connue sous le nom de régression des moindres carrés. À l'aide d'un outil en ligne pour tracer des données, les élèves calculent ensuite des droites de régression et ajustent les données aux paramètres estimés.

Activités:

Ce graphique numérique gratuit est particulièrement convivial pour les apprenants débutants. Les élèves peuvent choisir parmi cinq types de graphiques : barres, lignes, aires, secteurs et X/Y. Divers motifs, couleurs, grilles et choix d'étiquettes sont disponibles pour permettre la personnalisation. Des valeurs minimales et maximales peuvent être définies pour limiter l'échelle du graphique.

Ce site Web contient une collection de courtes vidéos illustrant les processus physiques couramment abordés dans les cours débutants. Les positions des objets dans l'image vidéo peuvent être visualisées en mouvement pas à pas ou en temps réel, puis mappées sur un logiciel d'analyse vidéo, permettant des mesures et des graphiques plus précis.

Cet ensemble de onze défis interactifs aidera les élèves à maîtriser les graphiques animés. Chaque défi demande à l'élève de faire correspondre le mouvement d'une voiture animée au bon graphique position/temps ou vitesse/temps. L'activité fournit suffisamment de répétitions pour aider les apprenants à comprendre de manière significative pourquoi les graphiques apparaissent comme ils le font.

Mélangez un laboratoire de détection de mouvement avec une modélisation graphique générée par les étudiants. Les élèves utilisent l'outil d'esquisse de graphique en ligne pour prédire le mouvement d'une personne marchant d'avant en arrière sur une ligne de 40 mètres. Ensuite, ils effectuent un laboratoire de détection de mouvement pour collecter des données réelles. Enfin, ils analysent les différences entre leurs prédictions et les données du monde réel. Associez ce laboratoire à celui directement ci-dessous, "Motion on a Ramp" pour une expérience exceptionnelle de 3 jours.

Cette activité associe un laboratoire de détection de mouvement à une modélisation graphique numérique. Les élèves utilisent l'outil d'esquisse de graphique en ligne pour prédire des graphiques de distance en fonction du temps et de la vitesse en fonction du temps. Ensuite, ils utilisent un capteur de mouvement pour collecter des données sur un vrai jouet poussé sur une rampe. Enfin, ils analysent les différences entre leurs prédictions et les données réelles. Fortement recommandé par les éditeurs. Pour les débutants, essayez d'abord d'introduire l'activité directement ci-dessus.

Manœuvrez un homme simulé et observez des graphiques simultanés de sa position, de sa vitesse et de son accélération. Pour les apprenants débutants, le graphique d'accélération peut être fermé. Essayez d'associer cette simulation avec les excellentes leçons d'accompagnement par des camarades enseignants PhET, trouvées sous "Plans de cours" ci-dessus. Ressource très polyvalente adaptable à un large éventail de capacités/niveaux.

Cette activité graphique interactive explore les effets de la gravité sur les objets légers et lourds. Il donne aux apprenants un moyen de faire des prédictions, de comparer rapidement leurs prédictions avec des données réelles et d'analyser pourquoi les prédictions étaient bonnes ou fausses. C'est l'une des rares ressources que nous avons vues dans lesquelles la gravitation universelle, l'accélération constante, la pente de la ligne et la représentation graphique du mouvement en chute libre peuvent toutes être explorées de manière significative en une seule période de cours. Comprend un plan de leçon et une évaluation avec clé de réponse.

Références et Collections :

Cet ensemble de leçons étudie le langage de la cinématique (la physique du mouvement). Il est conçu pour aider les élèves à comprendre que la signification scientifique de mots comme « vitesse » et « accélération » est différente de leur utilisation dans le langage courant.

Cet outil robuste basé sur un navigateur permet aux utilisateurs d'effectuer des calculs, de partager des conceptions et de créer des ressources de tableau blanc interactif. Choisissez parmi des grilles cartésiennes ou polaires, sélectionnez la mesure d'angle en degrés ou en radians et affichez des graphiques paraboliques sous forme standard, de sommet ou d'interception. Vous pouvez effectuer un zoom avant/arrière, faire glisser un graphique sur la page et modifier les axes. La plate-forme prend également en charge les sections coniques, les expansions de Fourier et les graphiques polaires. Lorsque vous avez terminé, vous pouvez publier votre ressource ou intégrer le fichier dans un espace d'apprentissage virtuel.

Tutoriels étudiants :

Un excellent didacticiel autoguidé favorise la compréhension de la "position" en tant que concept de physique. Contient plusieurs graphiques, animations et opportunités interactives permettant aux étudiants de tester leur compréhension.

Approche unique basée sur un modèle de prédiction de l'apprentissage. Les élèves prédisent l'apparition de graphiques de distance et de vitesse pour différents types de mouvement de marche, puis vérifient leurs prédictions avec un capteur de mouvement. Si tous les membres du groupe prédisent correctement, ils passent au problème suivant. Sinon, la tâche du groupe est d'analyser l'erreur pour voir ce qui s'est mal passé, puis d'écrire des déclarations pour modifier les idées incorrectes. La leçon a été conçue en utilisant des preuves de la recherche en éducation physique (PER).

Évaluation:

Voici un ensemble d'outils d'évaluation gratuits pour les élèves de la 6e à la 12e année sur des sujets liés à la physique et à la biologie. Dans le sous-sujet Force et mouvement, vous trouverez des évaluations pour évaluer la compréhension de la cinématique, la relation entre le mouvement et la force, et la quantité de mouvement. Les évaluations des diagnostics sont alignées sur la NGSS et comprennent des leçons d'élicitation (échauffements) et de développement. Après avoir terminé la leçon, les élèves répondent à des ensembles de questions numériques sur des sujets spécifiques, avec un retour immédiat fourni aux enseignants et aux apprenants. La dernière étape du processus est les « activités prescriptives », conçues pour cibler des zones problématiques spécifiques localisées par le diagnostiqueur.

Vecteurs (7)

Plans de cours :

Une unité unique et très engageante de deux semaines sur les vecteurs. Les étudiants débutants en physique acquièrent une compréhension des propriétés vectorielles en suivant une véritable formation à la navigation des pilotes. Ce module d'apprentissage par problèmes est livré avec des guides complets pour l'enseignant et l'apprenant. L'évaluation finale est un vol d'essai pilote virtuel. Gratuit avec l'inscription des enseignants

Il s'agit d'un ensemble exemplaire de didacticiels permettant aux enseignants d'introduire les bases des vecteurs, y compris l'addition/soustraction de vecteurs et la façon de calculer les composantes vectorielles. Voir les évaluations ci-dessous pour un test unitaire compagnon. Tous peuvent être librement téléchargés. Pour en savoir plus sur la pédagogie sous-jacente employée par les auteurs, accédez au document de référence ci-dessous et cliquez sur Combler le fossé du calcul vectoriel.

Activités:

Il peut être difficile pour les étudiants débutants de comprendre ce que représente un vecteur. Cette simulation amusante leur permet de regarder les vecteurs changer lorsqu'ils conduisent une voiture virtuelle. La vitesse en fonction du temps est également affichée dans un graphique compagnon en temps réel. Noter: Cette ressource nécessite Flash.

Cette simulation très simple peut aider les débutants à comprendre ce que représentent les flèches vectorielles. Il a été conçu par l'équipe PhET pour cibler des domaines spécifiques de difficulté dans la compréhension des vecteurs par les étudiants. Les apprenants peuvent déplacer une balle avec la souris ou laisser la simulation contrôler la balle dans quatre modes de mouvement (deux types de linéaire, harmonique simple et circulaire). Deux vecteurs sont affichés - un vert et un bleu. Quelle couleur représente la vitesse et quelle accélération ? Cette ressource nécessite Java.

Support de contenu pour les enseignants :

Ce didacticiel Web primé est un excellent choix pour l'enseignant crossover qui souhaite un rappel sur les vecteurs et leurs propriétés. Une introduction aux diagrammes de corps libre, des exemples de problèmes, une série de questions à votre rythme et des simulations interactives associées sont incluses.

Tutoriels étudiants :

Cette page est un environnement interactif où les sujets sont organisés en organigrammes, ce qui permet de passer facilement d'un sujet à un élément connexe. La résolution vectorielle, l'ajout et le produit sont traités en profondeur.

Évaluation:

Cette feuille de travail complète sur les vecteurs peut être utilisée comme test/questionnaire pour les étudiants débutants en physique. Il a été conçu pour accompagner le cours et le matériel de cours des mêmes auteurs (voir ci-dessus sous Plans de cours). Peut être librement téléchargé et imprimé pour une utilisation en classe.

Mouvement en une dimension (5)

Activités:

Une simulation pour explorer le mouvement d'un modèle réduit de voiture avec une accélération constante. L'étudiant définit des valeurs pour la position initiale, la vitesse et l'accélération - la simulation crée les graphiques en temps réel. Une paire de minuteries peut être placée n'importe où le long du trajet de la voiture pour mesurer le mouvement à intervalles réguliers. Disponible en HTML5 ou Java. Peut être adapté pour les niveaux 6-7 en utilisant uniquement les champs de vitesse et de position.

Cette activité graphique interactive explore les effets de la gravité sur les objets légers et lourds. Il donne aux apprenants un moyen de faire des prédictions, de comparer rapidement leurs prédictions avec des données réelles et d'analyser pourquoi les prédictions étaient bonnes ou fausses. C'est l'une des rares ressources que nous avons vues dans lesquelles la gravitation universelle, l'accélération constante, la pente de la ligne et la représentation graphique du mouvement en chute libre peuvent toutes être explorées de manière significative en une seule période de cours. Comprend un plan de leçon et une évaluation avec clé de réponse.

Comment la résistance de l'air affecte-t-elle le mouvement d'un objet en chute libre ? Dans ce modèle, une boule bleue tombe sous l'influence de la gravité seule. La balle rouge est soumise à la fois à la gravité et à la résistance de l'air. Ajustez la quantité de résistance de l'air avec un curseur, puis observez les changements dans les graphiques de mouvement. Nécessite Java

Références et Collections :

Ce tutoriel se concentre sur le langage, les principes et les lois qui décrivent et expliquent le mouvement des objets. Cela fait partie de La classe de physique site Web, et fournit des liens vers des laboratoires connexes, des ensembles de problèmes, de l'aide pour les apprenants en difficulté et un soutien au programme.

Une lecture incontournable pour les enseignants de sciences de la maternelle à la 8e année et de sciences physiques de 9e année. Un chercheur en éducation physique a étudié des groupes d'élèves de 4e, 6e et 8e années. La recherche a examiné en profondeur la façon dont les élèves de ces niveaux scolaires distinguent la vitesse de la vitesse variable. Les résultats aideront les enseignants à construire des leçons efficaces. Note de l'éditeur : Pourquoi est-ce important ? La recherche révèle que les enfants de l'école élémentaire forment et entretiennent des conceptions du monde physique qui restent profondément ancrées à l'âge adulte. Les conceptions inexactes peuvent être très difficiles à renverser.

Mouvement dans plus d'une dimension (7)

Plans de cours :

Une excellente leçon de deux jours pour accompagner la simulation PhET Mouvement d'un projectile (voir Activités ci-dessous). Il a été conçu par des éducateurs pour fournir un soutien solide aux enseignants et aux apprenants sur le mouvement des projectiles avec et sans résistance de l'air. Vous y trouverez une discussion scénarisée pour les enseignants, des explications sur les propriétés fluides de l'air et des feuilles de travail modifiables. Créé pour le collège, mais peut être facilement adapté aux cours Physics First ou Physics Prep.

Activités:

Les élèves peuvent s'amuser à explorer le mouvement des projectiles en tirant de manière interactive des objets de masse variable à partir d'un canon. Les utilisateurs peuvent définir la vitesse initiale, l'angle et la résistance de l'air. Cette ressource serait bien associée au didacticiel de l'étudiant en classe de physique sur le mouvement des projectiles (ci-dessous).

Cette simulation serait une bonne suite à l'applet de mouvement de projectile PhET (ci-dessus). Cet élément amène l'apprenant au niveau suivant en calculant la hauteur maximale, la distance horizontale, l'amplitude de la vitesse et l'énergie totale d'un objet projeté. Les élèves définiront la hauteur, la vitesse, l'angle et la masse initiales avant de tirer leur projectile. Convient aux lycéens ou aux collégiens doués/talentueux.

Cette simulation présente un avion volant à vitesse horizontale constante, se préparant à larguer des fournitures de secours sur une petite île. En tant que capitaine de plaine, vous devez calculer le point de largage pour déposer le colis et appuyer au bon moment sur le bouton rouge de largage. La trajectoire du colis tombant est tracée à l'écran. Si vos calculs étaient erronés, il se déversera dans l'océan. Question à méditer pour les élèves : qu'est-ce que l'inertie a à voir là-dedans ?

Cette simulation populaire a été convertie en HTML5 et dotée de nouvelles fonctionnalités intéressantes. Comme avec l'ancienne version, les élèves définiront la vitesse et l'angle initiaux et choisiront parmi une variété de projectiles (citrouille, piano, boulet de canon, personne). Désormais, ils peuvent également définir le coefficient de traînée et voir facilement comment la résistance de l'air affecte la trajectoire. Vous pouvez également ajuster la constante gravitationnelle et ajuster manuellement le diamètre du projectile. Très robuste, très facile à adapter aux différents niveaux d'apprentissage !

Tutoriels étudiants :

Cette ressource en sept parties est une excellente introduction aux caractéristiques du mouvement des projectiles. Grâce à des explications et des animations approfondies, il explore l'accélération verticale et explique pourquoi il n'y a pas de forces horizontales agissant sur les projectiles, une idée fausse commune des étudiants. Les deux dernières sections sont consacrées à la résolution de problèmes. Essayez de l'associer à l'activité PhET Projectile Motion ci-dessus.

Un tutoriel unique et très engageant développé par les auteurs de l'Australie PhysClips. De courts métrages, des photos et des diagrammes sont intégrés à un texte simple pour susciter l'intérêt. Les deux premières vidéos présentent le classique "Hammer and Feather Drop", à la fois sur la lune et sur Terre. un excellent tremplin pour discuter de la résistance de l'air.

Mouvement circulaire (5)

Activités:

Pour l'enseignant qui planifie une unité sur la physique des parcs d'attractions, ce didacticiel peut également servir d'activité en classe pour les élèves. Il offre un aperçu des forces agissant sur une montagne russe lorsqu'elle se déplace sur une piste droite, courbe ou en boucle. Des diagrammes corporels gratuits et des animations illustrant l'énergie cinétique/potentielle améliorent également la compréhension des élèves d'un ensemble complexe d'interactions. (Comprend un auto-test.)

Un manège de parc d'attractions peut-il être conçu pour être dangereux ? Ce modèle simple permet aux enfants de découvrir par eux-mêmes comment la vitesse de rotation et la distance radiale interagissent pour créer une balade plus excitante. Ne manquez pas le lien vers la page "Impact physiologique des forces G". Le réglage de la vitesse et de la distance radiale aux points les plus élevés entraînera des forces g qui dépassent la rentrée de la navette spatiale et les avions de chasse à grande vitesse !

Support de contenu pour les enseignants :

L'une des idées fausses les plus profondément ancrées parmi les étudiants en physique débutants est que le mouvement centrifuge (éloigné du centre) est une "force" en soi. Dans ce tutoriel, une partie de Classe de physique, l'auteur explique pourquoi la direction de la force est vue à partir d'un référentiel inertiel dans un cours de mécanique classique et donc pourquoi le mouvement centrifuge n'est pas une force dans un cadre newtonien.

Tutoriels étudiants :

Cette ressource guide l'étudiant débutant à travers les caractéristiques du mouvement circulaire. Il est divisé en cinq sections traitant de la mécanique du mouvement circulaire, de la force centripète, des problèmes et solutions algébriques et trigonométriques, et d'un chapitre complet qui démystifie l'idée fausse de la "force" centrifuge. Les problèmes interactifs comportent une utilisation libérale de diagrammes et de vecteurs de force pour améliorer la compréhension.

Ce tutoriel étudiant illustre comment les principes du mouvement circulaire peuvent être combinés avec la deuxième loi de Newton pour analyser des situations physiques. Deux problèmes algébriques et des solutions détaillées sont fournis, ainsi qu'un modèle en cinq étapes pour résoudre les problèmes de mouvement circulaire.

Mouvement planétaire (3)

Plans de cours :

Cette leçon de 40 minutes, créée par un professeur de lycée chevronné, donne aux enfants des conseils explicites sur l'utilisation de la simulation PhET Mon système solaire pour explorer le mouvement orbital et l'attraction gravitationnelle. Grande activité de construction de concept. Noter: L'inscription est requise pour accéder au matériel fourni par les enseignants PhET (c'est gratuit).

Activités:

Explorez les lois de Kepler dans cette simulation qui permet aux élèves de contrôler la taille et la trajectoire d'un objet en orbite autour de l'une des planètes de notre système solaire. Vous pouvez modifier l'excentricité et ajuster le rayon axial. La simulation génère des lignes radiales, des graphiques de la période par rapport à l'axe semi-majeur et plus encore. Ne manquez pas le lien « À propos » vers des ressources complémentaires : manuels de l'étudiant, matériel d'évaluation, etc. Noter Cette ressource nécessite Flash

Avec ce simulateur d'orbite, vous pouvez définir les positions initiales, les vitesses et les masses de 2, 3 ou 4 corps, puis les regarder en orbite. La simulation est particulièrement efficace pour aider les élèves à comprendre comment la distance et la masse sont liées à l'orbite. Faites défiler la page vers le bas pour découvrir les plans de cours connexes élaborés par des enseignants de collège et de lycée. Nécessite Flash

Collections spéciales (5)

Plans de cours :

Cette page contient les procédures de mise en place de 20 démonstrations relatives au mouvement. Toutes les démos ont été entièrement testées en classe et ont été sélectionnées pour inclusion car elles sont engageantes, nécessitent une configuration minimale et illustrent parfaitement les concepts clés enseignés dans l'introduction à la mécanique classique. Des anecdotes et des commentaires historiques ajoutent à la profondeur de cette ressource unique.

Cette unité d'enseignement de 8 jours pour le collège intègre la pratique de l'ingénierie dans une étude de l'énergie du mouvement. Grâce à des enquêtes sur les roues hydrauliques, les montagnes russes, les balles rebondissantes et un pendule, les élèves reçoivent une solide introduction à la transformation de l'énergie dans un système mécanique. L'unité présente également le frottement statique et cinétique, la traînée, les collisions élastiques/inélastiques, et les élèves apprennent à calculer la force de frottement. Vous n'avez pas le temps de faire l'unité complète ? Les leçons peuvent être retirées individuellement.

Activités:

Cette collection gratuite impressionnera les enseignants par la façon dont elle favorise une compréhension approfondie des graphiques. Les apprenants utilisent des outils numériques interactifs pour prédire à quoi ressemblera un graphique de mouvement, puis ils regardent l'ordinateur simuler le processus en temps réel. Ensuite, ils placent des entrées sur les graphiques et utilisent un langage pour expliquer ce qui se passe. Enfin, ils comparent leurs propres prédictions avec le processus simulé pour analyser pourquoi les graphiques apparaissent comme ils le font. Comme pour tous les documents du Concord Consortium, les ressources sont soumises à des tests rigoureux en classe pour garantir leur efficacité.

Références et Collections :

Cette collection de courtes vidéos explore la physique de base du football d'une manière qui ne manquera pas de susciter l'intérêt des enfants. Chaque vidéo présente un lecteur NFL, des séquences de fichiers de jeux, une vidéo au ralenti capturée avec une caméra Phantom à très haute vitesse. Des physiciens apparaissent dans chaque vidéo pour expliquer les concepts et clarifier le lien avec la physique. Sujets : lois de Newton, quantité de mouvement, inertie, vecteurs, centre de masse, mouvement du projectile, etc.

Tutoriels étudiants :

Il s'agit d'un site Web interactif conçu et maintenu par un professeur de physique du secondaire. Il propose des didacticiels, des simulations et des problèmes liés à la cinématique, aux vagues, à la trigonométrie, à l'algèbre et à la géométrie. Le format divertissant est conçu pour les étudiants et contient également une calculatrice EZ Graph pour les aider à voir facilement l'effet graphique de la modification des coefficients.

Vitesse et accélération (4)

Activités:

Cette activité robuste de Concord Consortium permet aux enfants d'explorer en profondeur la signification derrière les pentes des graphiques vitesse/temps et position/temps. Il associe l'esquisse de graphiques interactifs, l'analyse de données et les questions-réponses numériques pendant que les apprenants explorent le mouvement d'une voiture animée. Cela aidera les élèves à comprendre pourquoi les graphiques de mouvement apparaissent comme ils le font, plutôt que d'imiter la trajectoire du mouvement d'un objet.

Cette activité graphique interactive explore les effets de la gravité sur les objets légers et lourds. Il donne aux apprenants un moyen de faire des prédictions, de comparer rapidement leurs prédictions avec des données réelles et d'analyser pourquoi les prédictions étaient bonnes ou fausses. C'est l'une des rares ressources que nous avons vues dans lesquelles la gravitation universelle, l'accélération constante, la pente de la ligne et la représentation graphique du mouvement en chute libre peuvent toutes être explorées de manière significative en une seule période de cours. Comprend un plan de leçon et une évaluation avec clé de réponse.

Références et Collections :

Une lecture incontournable pour les enseignants de sciences de la maternelle à la 8e année et de sciences physiques de 9e année. Un chercheur en éducation physique a étudié des groupes d'élèves de 4e, 6e et 8e années. La recherche a examiné en profondeur la façon dont les élèves de ces niveaux scolaires distinguent la vitesse de la vitesse variable. Les résultats aideront les enseignants à construire des leçons efficaces. Note de l'éditeur: Pourquoi est-ce important? La recherche révèle que les enfants de l'école élémentaire forment et entretiennent des conceptions du monde physique qui restent profondément ancrées à l'âge adulte. Les conceptions inexactes peuvent être très difficiles à renverser.

Dans cette étude, les élèves d'une classe basée sur l'enquête ont été filmés pour détecter comment ils donnaient un sens aux concepts liés à la force et au mouvement. The analysis revealed that focused "sense-making activities", free-body diagrams, energy diagrams, and related real-world activities produced deeper student understanding. Free download

Assessments (3)

Assessment:

This comprehensive worksheet may be used as a test-quiz for introductory physics or as a diagnostic assessment for more advanced courses. It was designed to accompany the lecture and lesson materials by the same authors (see above under Vectors: Lesson Plans). May be freely downloaded and printed for classroom use.

This comprehensive self-assessment offers much more than a set of problems. For each of the 37 questions, links are provided to additional explanations. This resource is ideal for self-assessment or as guided practice for learners who are struggling.

Here is a set of free assessment tools for grades 6-12 on topics related to physics and biology. Within the sub-topic of Force and Motion, you'll find assessments to gauge understanding of kinematics, the relationship of motion and force, and momentum. Diagnoser assessments are aligned with the NGSS, and include elicitation (warm-ups) and developmental lessons. After completing the lesson, students answer digital question sets on specific topics, with immediate feedback provided to both teachers and learners. The final step in the process is "Prescriptive Activities", designed to target specific problematic areas located by Diagnoser.

Modeling Motion (2)

Activities:

This simulation is a powerful way to investigate the meaning of shape/slope for 3 types of motion graphs: p-t, v-t, and a-t. Students "match" the motion of a ball whose movement is automatically generated. To do it correctly requires analysis of the motion. Next, learners predict what the graphs will look like by using sliders to generate their own straight-line graphs.

We like the simplicity of this model for introducing free fall and gravitational acceleration. Students can control the initial height, set initial velocity from -20 to 20 m/s and change the gravitational constant. The free fall is displayed as a motion diagram, while graphs are simultaneously displayed showing position, velocity, and acceleration vs. time.

The Case of Roller Coasters (10)

Lesson Plans:

Roller coasters offer an inherently interesting way to study energy transformation in a system. This simulation lets students choose from 5 track configurations or create their own design, then watch the resulting motion. Energy bar graphs are simultaneously displayed as the coaster runs its course. Students can adjust the initial speed and friction, or switch to stepped motion to see exact points where kinetic and potential energy reach maximum and minimum levels. Includes lesson plan and student guide.

Students build understanding of kinetic and potential energy as they design a physical model of a roller coaster with foam pipe insulation and marbles. The lesson is almost completely turn key: scripted teacher introduction, detailed illustrated instructions, student worksheet, scoring rubric, and post-activity assessment. Which track configuration works best? What can be done to reduce friction?

A four-day lesson that explores the same physics concepts as roller coaster design, but breaks the learning into two distinct segments to ensure that beginners understand the basics. In Part I, kids build a very simple curved track to explore kinetic and potential energy for a gumball moving downhill. Part II becomes more complex: build and test a gumball machine with loops and specific design constraints.

Activities:

This short video does a great job of demonstrating centripetal force and how it acts to keep objects moving along a curved path. What makes a rider on a roller coaster feel a sensation of being thrown outward from the center during a loop, although there is no outward net force? The video serves to help beginners understand the dynamics of circular motion.

Exactly what IS centripetal force and what does it do? An astronaut on board the International Space Station demonstrates this force in ways students cannot observe in daily life. The environment is "almost" weightless, making it easy to observe the center-seeking motion without the complicating effects of gravity.

Want to do a quick lesson on energy transfer in a roller coaster, but can't devote more than one class period? This simulation lets kids design a very simple roller coaster, then it evaluates the design based on physical principles, safety, and "fun factor". Good springboard for further inquiry into energy transformation.

This self-paced multimedia tutorial explores how cars move along a roller coaster track as a result of energy transformation. Part of the Middle School Literacy Project, it is designed to develop literacy skills in the context of a focused science or math lesson. Students read informational text, build vocabulary, view videos and interactive simulations, and create written responses in both short and extended forms. Registered teachers may set up student accounts for tracking progress.

References and Collections:

The heart of this website for engineering education is its wonderful collection of videos that feature kids doing activities that illuminate key concepts in science and engineering. Each video is well-produced to allow the actor-students to apply concepts of science, then experience the excitement that goes with real discovery. Here's a taste: one video takes kids on a field trip to the Etnies shoe headquarters to learn the biomechanics of skateboarding from engineers who are also skateboarders. Another video takes the kids to Epcot Center to design and plan their own roller coaster configurations. The site also offers interactive games and simulations.

Content Support For Teachers:

If you need a refresher in the basics, this is a nicely organized tutorial that addresses four topics: uniform circular motion, centripetal force, applications and mathematics of circular motion, and amusement park physics. Includes free-body diagrams, animations, and problem sets with answers.

Short tutorial that uses an animation to illustrate the work/energy relationship in a roller coaster. The author breaks down the associated equation to show how total mechanical energy is conserved in the system.


Principles of Engineering Mechanics

Separation of the elements of classical mechanics into kinematics and dynamics is an uncommon tutorial approach, but the author uses it to advantage in this two-volume set. Students gain a mastery of kinematics first – a solid foundation for the later study of the free-body formulation of the dynamics problem.

A key objective of these volumes, which present a vector treatment of the principles of mechanics, is to help the student gain confidence in transforming problems into appropriate mathematical language that may be manipulated to give useful physical conclusions or specific numerical results. In the first volume, the elements of vector calculus and the matrix algebra are reviewed in appendices. Unusual mathematical topics, such as singularity functions and some elements of tensor analysis, are introduced within the text. A logical and systematic building of well-known kinematic concepts, theorems, and formulas, illustrated by examples and problems, is presented offering insights into both fundamentals and applications. Problems amplify the material and pave the way for advanced study of topics in mechanical design analysis, advanced kinematics of mechanisms and analytical dynamics, mechanical vibrations and controls, and continuum mechanics of solids and fluids.

Volume I of Principles of Engineering Mechanics provides the basis for a stimulating and rewarding one-term course for advanced undergraduate and first-year graduate students specializing in mechanics, engineering science, engineering physics, applied mathematics, materials science, and mechanical, aerospace, and civil engineering. Professionals working in related fields of applied mathematics will find it a practical review and a quick reference for questions involving basic kinematics.


The Motion Sensor Demystified

Undoubtedly, you have used a motion sensor and computer interface in other classes to plot graphs of position, velocity, and acceleration versus time, but how does the "magic box" do its "magic"? In physics, we don't want to treat laboratory equipment as "magic boxes" any more than we have to, and calculations of position, velocity, and acceleration are certainly something that we should be able to understand.

The motion sensor sends out a series of ultrasonic pulses. These pulses reflect from nearby objects and return to a detector. The computer software provides a very precise timer to measure the time elapsed between the sending of the original pulse and the detection of the reflected pulse.

The pulses travel at the speed of sound in air, v (about 345 m/s, depending on atmospheric conditions). Suppose that the pulses reflect off an object that is a distance d from the motion sensor, and that the reflected pulse returns to the detector after time t. It's a simple application of "distance equals rate times time", except that the distance traveled by the pulse is 2d:

Your velocity is the slope (derivative) of your position vs. time graph, so if you were at position d 1 at time t 1 , and position d 2 at time t 2 , your velocity can be approximated as:

In the same way, your acceleration is the slope (derivative) of your velocity vs. time graph, so if you have velocity v 1 at time t 1 , and velocity v 2 at time t 2 , your acceleration will be approximately:

Equipment:

Pasco Science Workshop TM interface

air track & glider or dynamics track (optional)

You can set up the motion detector to measure a motion that you create, or the motion of a glider on a sloping air track - whatever. The actual motion isn't the point here, just its analysis.

Setting Up the Pasco Interface:

Turn on "Show Balloons" in the Help Menu. It will explain the purpose of the various icons in the Pasco interface - which is a big help.

  1. Hook up and initialize the Pasco Science Workshop TM interface.
  2. Set up the motion sensor ( ) to detect your motion.
    1. You can either stop the sensor manually ( ), or go to the "Sampling Options" screen ( ) and set a stop time appropriate for your motion.

    Procédure:

    Record a motion or two - we just need some data to look at.

    Analysis:

    Position:

    Compare this formula to equation 1 above. The default speed of sound (344 m/s - If you calibrated the motion sensor to some other value, use it here. Did you forget it? Double-click the motion sensor icon ( )) was used in this calculation, and the "@1.tEcho" comes from the "Input" menu. It would be more efficient to use "172*@1.tEcho", but what I have looks more like equation 1.

    Velocity:

    Here is the calculation for the velocity. The "derivative" comes from the f(x) - Special menu, and the myx comes from the "INPUT" menu. The "4" means that the program calculates the slope between the current time and 4 time intervals later.

    Acceleration:

    The calculation for acceleration is shown above. Why "2" here and "4" above? I don't know - but it matches the Science Workshop TM calculation though, doesn't it?

    The calculation that Science Workshop TM uses for acceleration is similar (as it should be) to the one for velocity. To check it out:

    1. Add an acceleration column to your data table.
    2. Create a calculation for acceleration in the Experiment Calculator, and add it to the data table.

    Possible Improvements:

    Now that you know how the motion sensor determines your position, velocity, and acceleration, you can go ahead and use the built-in calculations when you need them, you don't have to create your own calculations each time. I'm sure that you've noticed that the kinematics graphs produced by the motion sensor are sometimes (ok, often - well, generally) pretty rough - especially the acceleration vs. time graphs. This is because slight irregularities in the round-trip times show up as irregularities in the position data, which are magnified in the velocity calculation, then magnified again in the acceleration calculation.

    What can you do? First, you should make sure that the motion detector is not getting reflections from some unwanted object. Try clearing the area, re-aiming the detector, and adjusting the beam (near/far). This probably won't remove all of the "jitters" in the data, but it can help a lot. Beyond that, you can either work around it, or try to fix it.

    Curve Fitting:

    To create acceleration vs. time graph shown above:

    1. Zoom in ( ) on the region you want to examine.
    2. Highlight the region in which you want the curve fit using the mouse.
    3. Select a curve fit for the data.
    1. Go to the graph options dialog ( ), and turn off "Connected Points". ("Connected Points" are usually a bad idea, anyway!)
    2. Try a curve fit - remember that you can restrict the curve fit to a particular region of the data.

    Smoothing the Data:

    The Experiment Calculator window shown above displays a smoothing function applied to motion sensor position data. The "smooth" function is found in the "Special" submenu of the "f(x)" menu, and the "@1.x" is found in the "INPUT" menu.

    "Smoothing" is a statistical process that tends to do just that - smooth out the "jumps and jiggles" in a data set. It does so by averaging the current value with a certain number of adjacent points.

    Well, doesn't that change the data? Yes, it does. Isn't that somehow underhanded and unsavory, if not downright illegal? Well, no, it isn't. If the "jumps and jiggles" are truly random noise (just about the same number of high and low jumps, etc.), then there is nothing wrong with trying to remove it. Just be sure to:

    Science Workshop TM makes it easy to smooth a data set. In the "Special" submenu of the "f(x)" menu in the Experiment Calculator window you will find the "smooth(n, x)" function. Here, "x" is the data set to smooth, and "n" is the number of points to use in the smoothing operation. How many points should you use? You need to play around with it. Too few, and the data isn't really affected by the smoothing operation, and too many can remove a great deal of the information content. It's a judgment call.

    This graph uses the same data as the graph above, but the original round-trip time data (only) was moderately smoothed (n = 5).

    Go ahead and apply the smoothing operation to your motion detector position data, as shown in the example at right. (You could, instead, smooth the original round-trip time data.) Add it to your data table and compare the smoothed values to the raw data. You might also want to compare their graphs. Try different numbers of points to see what happens. (Since the position data taken by the motion detector isn't particularly "noisy", you probably won't notice any radical differences.)

    Now, modify your velocity calculation to use the smoothed position values instead of the raw data, and compare. You can smooth the new velocity data, too. Now modify your acceleration calculation to use the smoothed velocity data, etc. (That's a lot of smoothing - it is possible to "go nuts" with this smoothing thing, you know. ) What do you think?

    Conclusion :

    Hopefully, this lab exercise has given you an understanding of how the motion detector does its detecting, as well as some steps to take to improve the process that you can apply in your future work.


    PHYS101: Introduction to Mechanics

    As the system under study becomes more and more complex, it becomes less and less clear how the basic laws of physics account for the observations. Other branches of science, such as chemistry or biology, are needed. In principle, biology is based on the laws of chemistry, and chemistry is based on the laws of physics, but our ability to understand something as complex as life in terms of the laws of physics is well beyond our present knowledge. Physics is, however, the first rung on the ladder of our understanding of the physical universe.

    In this course, we will study physics from the ground up, learning the basic principles of physical laws, their application to the behavior of objects, and the use of the scientific method in driving advances in this knowledge. This first of two courses (the subsequent course is Introduction to Electromagnetism) will cover the area of physics known as classical mechanics. Classical mechanics is the study of motion based on the physics of Galileo Galilei and Isaac Newton. While mathematics is the language of physics, you will only need to be familiar with high school level algebra, geometry, and trigonometry. The small amount of additional math and calculus that we need will be developed during the course.

    First, read the course syllabus. Then, enroll in the course by clicking "Enroll me in this course". Click Unit 1 to read its introduction and learning outcomes. You will then see the learning materials and instructions on how to use them.

    Unit 1: Introduction to Physics

    Our first step in this course is to gain a basic understanding of the language and analytical techniques that are specific to physics. This unit will include a brief outline of physics and the scientific method, measurement units and scientific notation, and the concepts of significant figures, order-of-magnitude estimates, and scaling.

    Completing this unit should take you approximately 6 hours.

    Unit 2: Motion in a Straight Line

    Our formal study of physics begins with kinematics, which is defined as the study of motion without considering its causes. The word "kinematics” comes from a Greek term meaning "motion.” In this unit, we will study motion without worrying about what forces cause or change it. Such considerations come in later units. In this unit, we will examine the simplest type of motion - namely, motion along a straight line, or one-dimensional motion.

    Completing this unit should take you approximately 13 hours.

    Unit 3: Kinematics in Two Dimensions

    Most motions in nature follow curved paths rather than straight lines. Motion along a curved path on a flat surface or a plane is two-dimensional and thus described by two-dimensional kinematics. Two-dimensional kinematics is a simple extension of the one-dimensional kinematics covered in the previous unit. This simple extension will allow us to apply physics to many more situations, and it will also yield unexpected insights about nature.

    Completing this unit should take you approximately 16 hours.

    Unit 4: Dynamics

    The study of motion is kinematics, which describes the way objects move, their velocity, and their acceleration. Dynamics consider the forces that affect the motion of moving objects. Newton's laws of motion are the foundation of dynamics. These laws provide examples of the breadth and simplicity of principles under which nature functions. They are also universal laws in that they apply to similar situations on Earth as well as in space.

    Completing this unit should take you approximately 26 hours.

    Unit 5: Circular Motion and Gravity

    In this unit, we will study the simplest form of curved motion: uniform circular motion, or motion in a circular path at constant speed. In some ways, this unit is a continuation of the previous unit on dynamics, but we will introduce new concepts such as angular velocity and acceleration, centripetal force, and the force of gravity.

    Completing this unit should take you approximately 15 hours.

    Unit 6: Work and Energy

    Energy is the capacity of a physical system to perform work. It plays an essential role both in everyday events and in scientific phenomena. You can probably name many forms of energy from that provided by our foods to the energy we use to run our cars to the sunlight that warms us on the beach. Not only does energy have many interesting forms, but it is involved in almost all phenomena and is one of the most important concepts of physics.

    Energy can change forms, but it cannot appear from nothing or disappear without a trace. Thus, energy is one of a handful of physical quantities that we say is conserved.

    Completing this unit should take you approximately 14 hours.

    Unit 7: Momentum and Collisions

    We use the term momentum in various ways in everyday language. We speak of sports teams gaining and maintaining the momentum to win. Generally, momentum implies a tendency to continue on course - to move in the same direction - and is associated with mass and velocity. Momentum has its most important application in analyzing collision problems, and, like energy, is important because it is conserved. Only a few physical quantities are conserved in nature, and studying them yields fundamental insight into how nature works, as we shall see in our study of momentum.

    Completing this unit should take you approximately 12 hours.

    Unit 8: Statics and Torque

    What might desks, bridges, buildings, trees, and mountains have in common - at least in the eyes of a physicist? The answer is that they are ordinarily motionless relative to the Earth. Thus, their acceleration in the Earth frame of reference is zero. Newton's second law states that net F = ma,so the net external force is zero on all stationary objects and for all objects moving at constant velocity. There are forces acting, but they are balanced. That is, the forces are in equilibrium.

    Completing this unit should take you approximately 8 hours.

    Unit 9: Angular Momentum

    Why do tornadoes spin so rapidly? The answer is that the air masses that produce tornadoes are themselves rotating, and when the radii of the air masses decrease, their rate of rotation increases. An ice skater increases her spin in an exactly analogous way. The skater starts her rotation with outstretched limbs and increases her spin by pulling them in toward her body. The same physics describes the spin of a skater and the wrenching force of a tornado. Clearly, force, energy, and power are associated with rotational motion. These and other aspects of rotational motion are covered in this unit. We will see that all important aspects of rotational motion either have already been defined for linear motion or have exact analogs in linear motion.

    Completing this unit should take you approximately 16 hours.

    Study Guide

    These study guides will help you get ready for the final exam. They discuss the key topics in each unit, walk through the learning outcomes, and list important vocabulary terms. They are not meant to replace the course materials!


    Physics - Kinematics

    Kinematics: The study and description of motion, without regard to its causes, for example, we can calculate the end point of a robot arm from the angles of all its joints. Alternatively, given the end point of the robot arm, we could calculate the angles and settings of all its joints required to put it there (inverse kinematics - IK). Kinematics can be studied without regard to mass or physical quantities that depend on mass.

    We will talk about dynamics later. One way to think about the difference between kinematics and dynamics is that dynamics is the cause of motion and kinematics is the effect.

    Kinematics involves position, velocity and acceleration (and their rotational equivalents).

    • Position is the point in space that an object occupies, this needs to be defined in some coordinate system.
    • Velocity is the rate of change of position with respect to time.
    • Acceleration is the rate of change of velocity with respect to time.

    Although I am leaving the dynamics to later it is worth mentioning here that, if there are no net forces acting on an object, then it will have a constant velocity. Also if there is a constant net force acting on an object, like gravity for instance, then it will have constant acceleration. So these special cases of constant velocity and of constant acceleration are worth considering in more detail.

    Movement in one dimension

    If an object is moving in a straight line, and if we measure its position along that line, then its position, velocity and acceleration can all be represented by scalar quantities. This makes the analysis much easier, so lets start there.

    Constant Velocity (no net force)

    Velocity is the rate if change of position:

    So integrating both sides gives:

    Constant Acceleration (constant force)

    Velocity is the rate if change of position:

    So integrating both sides gives:

    So integrating acceleration once gives the velocity, to get the position we need to integrate again:

    Variable Acceleration - approximate methods

    If we have an equation for the acceleration, as a function of time, we can apply integration to find the velocity and position, if we don't then we can use approximate methods such as finite difference method, Eulers Method or Runge-Kutta Method. If we are animating a computer simulation then this can be a very good method because we need to generate the position for each frame anyway, so is is much easier to generate the next frame from the frame before it.

    These approximations can be made more accurate by using Eulers Method or Runge-Kutta Method

    Position in three dimensions (Location and Orientation)

    When we are working in 3 dimensions the scalar quantities in the 1D case p, v and a need to be replaced by 3D vectors, , and . Also in order to define the position of an object in 3 dimensions we need to know both its location and its orientation. This gives it a maximum of 6 degrees of freedom (6DOF) 3 for linear movement, 3 for rotation.

    So the following state vector defines the position completely using 6 scalar quantities.

    Note: this has mixed units, the top 3 are radians, the bottom 3 are metres.

    If an object is constrained, for instance it may be linked to other objects by a hinge, or other types of join, then it may have less than 6 degrees of freedom.

    It can be useful to represent the location and orientation as a single vector, specially when we get onto acceleration and dynamics equations, it is not so useful for position because we cant use vector addition to represent rotation. I have included it here to start introducing the Featherstone's spatial vector notation (see http://www.syseng.anu.edu.au/

    roy/technical.html) Thank you to Michael Shantz telling me about this (see hybridgdc.pdf file at http://michaelshantz.com ).

    When we define the position of a solid object we need to do this relative to some point on the object, also this is the point that the object rotates around. So we need to define a local coordinate system on the body. If we take the planetary motion example then, in the case of the earth, we could choose to measure relative to the middle of the earths core, or a place on the surface, or any other location. Now as the earth is moving, both the translation and orientation are functions of time.

    If we choose to measure the local coordinate system relative to a point on the surface, then the translation will be a complicated function of time, but if we measure the local coordinate system relative to the centre of the earth then the translation will be a less complicated function of time. So in this case it is better, but not necessary, to have a local coordinate system relative to the centre of the earth. The orientation as a function of time is independent of the local reference point, in the case of the earth, one rotation per day.

    Transforms

    Matrices can be used to perform various operations on objects such as translation, rotation, scaling and sheer. When we representing solid objects, then we want to limit our transforms to translations and rotations only, so a 4x4 matrix contains redundant information and we have to be careful not to do any other operations on it.

    Complex jointed objects, for example a robot arm, can be represented on a hierarchy of transform groups, see here for more details.

    In theory we could specify our translation/rotation with a single 6 dimensional vector, however as explained under rotation, this is not as useful as it might seem as multiple transforms can't be represented by simple arithmetic operations on the vectors.

    Note: this has mixed units, the top 3 are radians, the bottom 3 are metres.

    Multiple transforms can only be represented by adding their vectors, if the transforms are infinitesimally small. This means that 6 dimensional vectors are useful for combining velocities and accelerations.

    Uniform Angular Speed

    Although vector addition cannot be used for angles, it does begin to approximate the correct value as the angle gets smaller, for infinitesimal rotations vector algebra can be used therefore vector algebra can be used to combine rotations. A rotation vector [w] contains 3 values rotation about x, rotation about y and rotation about z.

    6d Velocity vector

    It may be useful to have a single state vector which can represent the angular and linear velocities. So that operations on this velocity can be represented by a single equation which includes both the linear and rotational effects.

    Note: this has mixed units, the top 3 are radians/sec, the bottom 3 are metres/sec.

    For example if an object were moving within a frame-of-reference and the frame-of-reference itself were moving, we could calculate the vector representing the absolute velocity by adding together the vectors representing the velocity of the frame-of-reference and the relative velocity. However we have to be very careful here, it works OK for the linear component (provided we are using Newtonian relativity and not Einsteinian relativity), but for the rotational part we must be careful if the rotations are not about the same point, in this case the movement could be some complex spiral or planetary motion, but the addition may still work for instantaneous values.

    Uniform Angular Acceleration

    6D acceleration vector

    A single state vector representing both the angular and linear acceleration. This can be very useful in dynamics (see here), for instance, this single equation relates the torques, forces and acceleration of an object.

    Simulation by the program

    I have defined a suggested kinematics node to represent the kinematics behavior because VRML and Java3D don't yet have such a node.

    These equations for uniform acceleration can be solved analytically to give:

    where v0 = initial velocity and s = delta x (i.e. distance moved)

    However in a realtime simulation it is faster to do the integration numerically, this is done by the program in the kinematicsBean, the algorithm to do this is explained here.


    Abstrait

    There is a need for the prevention of upper extremity injuries that affect a large number of competitive baseball players. Currently available evidence alludes to three possible ways to prevent these injuries: 1) regulation of unsafe participation factors, 2) implementation of exercise intervention to modify suboptimal physical characteristics, and 3) instructional intervention to correct improper pitching techniques. Of these three strategies, instruction of proper pitching technique is under-explored as a method of injury prevention. Therefore, the purpose of this review was to explore the utility of pitching technique instruction in prevention of pitching-related upper extremity injuries by presenting evidence linking pitching technique and pitching-related upper extremity injuries, as well as identifying considerations and potential barriers in pursuing this approach to prevent injuries. Various kinematic parameters measured using laboratory-based motion capture system have been linked to excessive joint loading, and thus pitching-related upper extremity injuries. As we gain more knowledge about the influence of pitching kinematics on joint loading and injury risk, it is important to start exploring ways to modify pitching technique through instruction and feedback while considering the specific skill components to address, mode of instruction, target population, duration of program, and ways to effectively collaborate with coaches and parents.