final_draft (1)

38
By Syed Ibrahim Rashid School: Dubai International Academy Teacher: Ms. Carla Muller Investigating how the Diameter of a Skateboard Wheel affects the Acceleration of the Skateboard IB Mathematics Standard Level Internal Assessment

Upload: syed-ibrahim-rashid

Post on 18-Aug-2015

29 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

     

B y   S y e d   I b r a h i m   R a s h i d  S c h o o l :   D u b a i   I n t e r n a t i o n a l   A c a d e m y  T e a c h e r :   M s .   C a r l a   M u l l e r    

Investigating  how  the  Diameter  of  a  Skateboard  Wheel  affects  the  Acceleration  of  the  Skateboard  IB  Mathematics  Standard  Level  Internal  Assessment                

08  Fall  

  2  

Table  of  Contents  Section                   Pg.  #      Introduction:                         Plan  of  Investigation                 3     Abbreviations  and  Definitions  Used       Throughout  the  Exploration             5     Displacement,  Velocity,  and  Acceleration           6    The  Exploration:         Using  and  Explaining  Tracker           6     Making  Sense  of  the  Raw  Data           8     Determining  the  Equation  from  the  Raw  Data       10     Determining  the  Acceleration  of  the  52-­‐Skateboard     11     Determining  the  Acceleration  of  the  53-­‐Skateboard     12     Determining  the  Acceleration  of  the  54-­‐Skateboard     14       Mapping  the  Relationship  between  the  Diameter  of  a  Wheel     And  the  Skateboard’s  Acceleration           15     Understanding  the  Quadratic  Model         16     Proof                   21     Integrating  to  find  the  Velocity  for  the  47-­‐Skateboard     27     Integrating  to  find  the  Velocity  of  the  51-­‐Skateboard     28     Integrating  to  find  the  Velocity  of  the  54-­‐Skateboard     28  

Integrating  to  find  the  Velocity  of  the  55-­‐Skateboard     28     Integrating  to  find  the  Velocity  of  the  61-­‐Skateboard     29      Conclusion:     Final  Results                 30     How  Could  This  Exploration  have  Been  Improved?     30     Final  Concluding  Remarks             34      Works  Cited                 34    Appendices     A:  Full  Data  Table  for  the  52-­‐Skateboard         35     B:  Full  Data  Table  for  the  53-­‐Skateboard         36     C:  Full  Data  Table  for  the  54-­‐Skateboard           37  

                 

  3  

           

How  Does  the  Diameter  of  a  Skateboard  Wheel  affect  a  Skateboard’s  acceleration?  

 Introduction:  Whether  it’s  for  the  thrills,  beating  the  rush,  or  competing  in  a  race,  speed  is  everything  in  skateboarding.  Maintaining  a  high  speed  is  a  sign  of  mastery  while  riding  slowly  is  a  right  of  passage  that  many  beginners  undergo  when  they  first  get  their  feet  on  the  board.    For  myself,  speed  is  up  utmost  important  in  skateboarding,  which  is  why  I  have  chosen  to  investigate  how  the  diameter  of  a  skateboard’s  wheel  affects  the  skateboard’s  acceleration.      Ultimately,  the  objective  is  to  create  an  equation  that  models  the  relationship  between  the  acceleration  of  a  skateboard  and  the  diameter  of  its  wheels.      For  riders,  manufactures,  and  parents,  the  results  of  this  investigation  can  be  of  significant  use.  For  advanced  skaters,  knowing  and  understanding  what  size  wheel  will  produce  the  fastest  ride  can  help  riders  make  cost  effective  buying  decisions  and  obtain  the  most  out  of  their  product.  For  parents  whose  kids  are  just  learning  how  to  skateboard,  knowing  how  to  ensure  that  their  beginner  kids  are  riding  as  slowly  and  as  safely  as  possible  can  help  parents  better  cope  with  the  fact  that  they’re  kids  are  taking  on  an  “extreme  sport”.  And  finally,  understanding  how  to  maximize  speed  or  safety  in  a  skateboard  can  be  of  utmost  important  for  manufactures  who  are  trying  to  create  the  fastest  or  even  the  safest  product  for  the  market.      To  carry  out  this  investigation,  a  strong  understanding  of  kinematics  and  motion  of  a  particle  was  needed  to  analyze  my  results.  Because  of  this,  I  had  to  read  ahead  in  my  maths  course  and  learn  about  how  differential  calculus  and  integration  can  be  used  to  model  the  motion  of  a  particle  while  also  learn  about  the  basic  concepts  of  vectors.  Beyond  this,  I  had  to  do  some  extensive  reading  on  Newton’s  laws  and  physical  forces  to  create  an  experiment  that  would  investigate  the  relationship  between  the  wheel  diameter  and  the  skateboard’s  acceleration  without  any  other  factors  influencing  the  final  results.      Introduction:  Plan  Of  Investigation:      For  the  purpose  of  this  investigation,  three  different  sets  of  wheels  will  be  used  from  the  same  manufacturer.  Each  set  contains  four  wheels.  The  diameters  of  the  wheels  for  each  set  are  54  mm,  53  mm,  and  52  mm  from  the  skateboard  and  accessory  brand  Mini-­‐Logo.    

  4  

       

     

   

Figure  1.0  above  shows  the  52  mm,  53  mm,  and  54  mm  wheel  from  left  to  right.      Four  of  each  of  these  wheels  will  be  attached  to  the  skateboard  in  the  background  in  Figure  1.0  and  the  skateboard  will  be  pushed  down  an  inclined  plane  of  a  height  of  45  cm,  a  length  of  179  cm,  and  hypotenuse  of  465  cm.  This  inclined  plane  was  assumed  to  be  a  perfect  right  triangle.  

     

               Figure  2.0  shows  the  measured  dimensions  of  the  inclined  plane.         To  investigate  the  relationship  between  wheel  diameter  (mm)  and  the  acceleration  of  the  skateboard  (ms-­‐2),  a  high-­‐speed  camera  attached  to  a  tripod  was  placed  256  cm  away  from  the  top  of  the  inclined  plane  and  while  the  camera  was  recording  at  60  frames  per  second  (fps),  the  skateboard  was  lightly  pushed  down  the  

Figure  1.0  

179  cm  

45  cm  

465  cm  

Figure  2.0  

  5  

inclined  plane  until  it  travelled  through  the  entire  465  cm  (4.65  m)  and  came  to  a  halt  at  the  bottom  of  the  ramp  by  a  barrier.         After  five  trials  were  taken  for  each  wheel  size  (comprising  of  a  total  of  15  trials),  the  video  footage  of  the  skateboard’s  descent  was  analyzed  in  the  video  analysis  program  Tracker  to  model  the  displacement  of  the  skateboard  as  a  function  of  time.         Tracker  will  produce  values  for  the  skateboard’s  position  at  distinct  time  intervals  for  five  trials  for  each  distinct  diameter.  The  average  of  these  positions  as  a  function  of  time  will  be  obtained  and  then  plotted  on  a  graph  showing    the  average  position  of  the  skateboard  as  a  function  of  time.  The  equation  for  this  graph  will  then  be  calculated  to  determine  a  function  that  models  the  position  of  the  skateboard  as  a  function  of  time.  From  here,  differential  calculus  will  be  used  to  determine  the  acceleration.  This  will  be  further  explained  below.       For  the  sake  of  this  investigation,  it  will  be  assumed  that  frictional  forces  were  negligible  and  had  no  effect  on  the  data.  The  purpose  of  placing  the  skateboard  at  the  top  of  an  inclined  plane  was  to  ensure  that  the  amount  of  force  exerted  on  the  skateboard  was  constant  throughout  the  whole  experiment,  which,  by  extension  allows  us  to  consider  frictional  forces  as  negligible  as  it  was  assumed  that  the  friction  affected  the  skateboard’s  acceleration  equally  for  each  trial.      Friction  or  Frictional  force  is  the  force  felt  by  an  object  that  restricts  its  movement.  As  a  book  slides  across  a  desk  the  frictional  forces  acting  on  the  book  slow  it  down  and  prevent  it  from  moving  in  a  straight  line  continuously.  As  the  force  that  causes  the  object  to  move  increases,  so  will  the  frictional  force  (Cox).    This  is  why  the  skateboard  was  placed  on  an  inclined  plane  as  the  only  force  that  would  act  on  it  would  be  the  force  of  gravity,  which  remains  constant.  By  having  a  constant  force  act  on  the  skateboard  the  frictional  forces  remains  constant  throughout  the  whole  experiment  which  means  that  no  one  trial  is  too  affected  by  the  frictional  force  which  would  alter  it’s  data.  Instead,  all  trials  are  equally  affected  by  the  same  amount  of  frictional  force  as  a  result  of  being  pushed  by  gravity.          So  for  the  sake  of  this  investigation,  it  can  be  assumed  that  frictional  forces  were  negligible  since  it  was  constant  because  the  only  force  acting  on  the  skateboard  was  the  constant  force  of  gravity.        Introduction:  Abbreviations  and  Definitions  Used  Throughout  this  Exploration        When  referring  to  different  wheel  sizes,  the  terms:  

• 52-­‐Skateboard  • 53-­‐Skateboard  • And  54-­‐Skateboard  

 

  6  

Will   be   used   to   distinguish   between   each   distinct   wheel   size   for   the   skateboard  where   the   number   preceding   “Skateboard”   is   the   diameter   of   each   wheel   in  millimeters.   This   will   also   be   the   same   case   when   referring   to   extrapolated  diameters  and  their  extrapolated  accelerations.          Introduction:  Displacement,  Velocity,  and  Acceleration:    These  might   seem   to  be   simple  definitions  and   concepts  yet   in   terms  of  kinematic  analysis,  it  is  important  to  understand  how  to  define  these  quantities  as  well  as  how  to  derive  them  to  form  an  equation.    It   is   important   to  note   that  each  of   these  quantities   is  a  vector   indicating   that   they  each  have  both  a  direction  and  magnitude.  As  a  rule  of  thumb,  if  an  object  is  moving  to  the  left  or  downwards,  its  value  is  negative.  Conversely,  if  an  object  is  moving  to  the  right  or  upwards,  its  value  is  positive.    Displacement  can  be  defined  as  the  position  that  a  particle  is  in  relative  to  its  origin  and/or   starting   position.   For   example,   if   there   is   a   runner   who   moves   from   a  stationary   position   and   travels   10   meters   to   the   left,   his   displacement   is   (-­‐)   10  meters   as   that   is   his   new  position   relative   to   his   origin.  Displacement   is   generally  denoted  by  the  function  s(t)  where  t  is  time.    Velocity  can  be  defined  as  the  rate  of  change  of  displacement  per  unit  time.  This  is  an  indictor  as  to  how  much  the  position  of  the  particle  changes  in  a  given  time  frame.  For  example,  if  the  same  runner  moves  5  meters  within  1  second,  then  his  velocity  is  5  ms-­‐1  meaning  that  in  one  second  he  ran  five  meters.  If  there  is  a  function  showing  the  displacement  of  a  particle  per  unit  time,  the  velocity  will  be  the  first  derivative  of  this  function  and  will  be  denoted  by  the  function  v(t).      Finally,   acceleration  can  be  defined  as  the  rate  of  change  of  velocity  per  unit   time  and  if  there  is  a  function  showing  the  displacement  of  a  particle  as  a  function  of  time,  the   second   derivative   of   this   function   will   be   the   acceleration   and   this   will   be  denoted  by  the  function  a(t).          The  Exploration:  Using  and  Explaining  Tracker    As  mentioned  earlier,  the  video  analysis  program  Tracker  was  used  to  model  the  motion  of  each  skateboard  with  different  wheel  sizes  and  was  then  used  to  create  an  equation  to  represent  the  skateboard’s  position  as  a  function  of  it’s  time.            

  7  

Figure  3.0  below  shows  a  screenshot  of  the  Tracker  interphase.    

    The  blue  line  is  the  scale  for  the  video  frame  and  serves  as  a  reference  point.  As  shown  in  Figure  2.0,  the  slant  height  (hypotenuse)  of  the  ramp  was  465  cm  hence  why  the  scale  was  set  to  465.  Once  the  scale  has  been  set,  a  coordinate  system  can  be  mapped  inside  the  video  frame.  This  is  shown  with  the  purple  converging  horizontal  and  vertical  lines  which  represent  the  X-­‐Axis  and  Y-­‐Axis.  The  red  dots  trailing  behind  the  skateboard  show  where  each  data  point  was  plotted  on  the  axis  and  on  the  right  side  of  Figure  3.0  is  a  graph  that  plots  the  Y-­‐Position  and  the  X-­‐Position  as  a  function  of  time.  The  Y-­‐Position  is  not  shown  in  the  figure  above.         These  two  positions  correspond  to  different  vector  components  of  the  skateboard’s  motion  in  both  the  Y-­‐direction  and  the  X-­‐direction.  For  the  sake  of  this  investigation  only  the  X-­‐component  of  the  object’s  motion  will  be  taken  into  consideration  when  creating  functions  and  graphs.  This  is  because  when  the  experiment  was  taken  place,  the  skateboard  generally  rolled  down  the  ramp  in  an  almost  perfect  linear  line.  Despite  this,  Tracker  managed  to  plot  the  Y-­‐position  of  the  skateboard’s  motion  as  well.  This  is  because  the  camera  was  positioned  at  a  slant  to  get  the  entire  ramp  in  its  viewing  frame.  To  compensate  for  the  slant,  the  purple  axis  was  tilted  so  that  it  would  align  as  close  to  possible  to  the  path  of  the  skateboard.  Despite  this,  tracker  was  not  able  to  perfectly  align  itself  with  the  skateboard’s  motion  hence  why  only  the  X-­‐component  of  the  position  was  taken.         This  might  alter  the  calculated  equation  for  the  displacement  as  a  function  of  time  since  we  are  knowingly  excluding  a  part  of  the  data.  While  conducting  this  experiment,  in  some  trials  the  skateboard  did  shift  from  side  to  side  whenever  it  came  across  a  pebble  or  a  crack  in  the  surface  which  ultimately  changed  the  path  of  descent  it  took  down  the  ramp.  If  the  skateboard  were  to  shift  from  side  to  side  while  making  it’s  descent,  then  the  total  distance  that  it  covers  would  have  been  greater  than  the  465  cm  ramp  that  was  used  as  a  reference  frame.  Also,  sometimes  the  

Figure  3.0  

  8  

skateboard  came  across  cracks  in  the  surface,  which  derailed  the  skateboard  and  slightly  shifted  it  into  the  Y-­‐Direction.  Not  only  did  this  effect  the  total  distance  the  skateboard  actually  travelled,  but  also  it  affected  the  time  that  the  skateboard  would  take  to  complete  its  descent  down  the  plane.    Irregularities  in  the  surface  would    affect  the  final  calculations  for  the  displacement  and  the  acceleration.         To  ensure  that  tracker  was  only  taking  into  consideration  the  time  it  took  to  make  a  descent  down  the  465  cm  plane,  only  the  x-­‐component  was  taken.  This  is  because  the  combined  component  using  both  the    X  and  Y    components  would  have  the  total  distance  travelled  which  would  be  greater  than  465  cm  because  of  the  changes  in  the  descent  of  the  skateboard  because  of  irregularities  in  the  surface.  In  the  future,  if  this  experiment  were  to  be  repeated,  then  a  completely  smooth  and  lubricated  surface  should  be  used  to  prevent  any  changes  in  the  path  of  the  board’s  descent.           With  respect  to  the  set  of  values  shown  on  the  right  side  of  the  image,  all  positions  with  respect  to  time  have  negative  values  that  slowly  increase  in  the  positive  direction.  This  is  because  from  the  frame  of  reference  of  the  camera,  the  object  is  moving  to  the  left,  which,  due  to  its  vector  nature,  denotes  a  negative  sign.         Although  from  the  viewer’s  frame  of  reference  the  skateboard  is  moving  from  right  to  left  which  suggests  that  the  particle’s  displacement  is  decreasing,  the  purple  horizontal  and  vertical  axis’  were  inverted  so  that  the  data  would  show  that  the  particle’s  displacement  was  increasing  in  reference  to  the  origin.      The  Exploration:  Making  Sense  of  the  Raw  Data:         Depicted  below  will  be  the  graphs  for  the  average  position  of  each  skateboard  as  a  function  of  time  including  all  raw  data  tables  and  calculations  with  accompanying  explanations  to  obtain  the  acceleration  for  each  distinct  wheel  diameter  (mm).  What  is  important  to  note  is  that  the  positions  were  measured  in  centimeters  (m)  so  the  derived  acceleration  will  be  in  cms-­‐2.  For  the  sake  of  representing  the  acceleration  in  familiar  units,  the  derived  acceleration  will  be  divided  by  100  in  order  to  convert  it  from  centimeters  to  meters  so  that  the  acceleration  can  be  represented  in  ms-­‐2.    

   

     

Table  1.0  

Time%(s) Trial%1 Trial%2 Trial%3 Trial%4 Trial%5 Average Standard%Deviaton0.267 &430.801 &424.601 &429.985 &448.157 &457.771 &438.263 14.04730.283 &429.399 &423.444 &428.583 &447.075 &456.954 &437.091 14.24790.300 &427.035 &421.305 &426.928 &445.404 &457.011 &435.5366 15.06190.317 &425.339 &418.846 &424.87 &444.266 &455.918 &433.8478 15.60200.333 &422.994 &416.735 &422.296 &443.069 &455.595 &432.1378 16.48820.350 &421.038 &413.953 &419.912 &441.564 &454.948 &430.283 17.28670.367 &419.052 &411.067 &417.301 &439.25 &454.022 &428.1384 17.92260.383 &416.24 &408.131 &414.714 &437.158 &453.029 &425.8544 18.68750.400 &413.954 &404.575 &411.645 &434.932 &453.187 &423.6586 20.0107

Position%(cm)

  9  

Table  1.0  shows  the  condensed  table  displaying  the  average  position  and  standard  deviations  for  the  52-­‐Skateboard.  The  excluded  data  is  included  in  Appendix  A.       When   plotting   the   average   position   of   the   52-­‐Skateboard   as   a   function   of  time,   the   domain   was   chosen   to   be   from   0.267   seconds   to   0.917   seconds.   It   is  important   to   note   that   not   all   trials   had   a   domain   restricted   to   these   values   but  rather,   each   trial   had   a  much   larger  domain   than   the  one   allocated   to   the   average  position.  The  reason  why   this  domain  was  chosen  was  because  each   trial  had  data  values  within   this   range   so  by   setting   these  values  as  our  domain,  we  can  prevent  any   gaps   in   the   data   by   ensuring   that   all   trials   had   data   within   the   same   time  interval.   However   this  method  was   a   bit   problematic.   This   is   because   at   different  times,  depending  on  when  the  skateboard  was  released,  the  skateboard  would  be  at  a  different  position  along  the  inclined  plane.  At  a  different  position,  the  skateboard  would  have  a  different  velocity  as  compared  to  other  trials.  This  likely  contributed  to  the  large  standard  deviations  that  we  see  in  Table  1.0  and  will  see  in  Tables  2.0  and  3.0   for   the   other   skateboards.   These   large   standard   deviations   will   affect   the  accuracy  of   the   final   calculated   average,  which   could   influence   the   accuracy  of   the  final  model  that  will  be  used  to  determine  the  relationship  between  the  acceleration  of   skateboard,   and   it’s   wheel’s   diameter.     To   prevent   this   in   the   future   this  experiment  should  be  conducted  with  a  partner  and  the  recordings  should  start  at  the  same  time  for  each  trial  and  the  skateboard  should  be  released  at  the  exact  same  time   for   each   trial.   This  will   prevent   having   to   look   for   a   similar   domain   and  will  prevent  the  large  standard  deviations  that  we  see  in  Table  1.0,  Table  2.0,  and  Table  3.0.      Figure  4.0  below  shows  a  scatter  plot  that  was  obtained  using  Microsoft  Excel  that  shows  time  (s)  on  the  X-­‐axis  and  the  average  position  (cm)  of  the  52-­‐skateboard  on  the  Y-­‐axis  with  an  accompanying  equation.  

                                       

Figure  4.0  

y"="537.35x2"*"333.5x"*"379.61"R²"="0.98919"

*500"

*450"

*400"

*350"

*300"

*250"

*200"0.15" 0.25" 0.35" 0.45" 0.55" 0.65" 0.75" 0.85" 0.95" 1.05"

Posi%

on'(cm)

'

Time'(s)'

520Skateboard:''Posi%on'VS'Time'

  10  

                               It  is  important  to  note  that  the  average  position  of  the  skateboard  is  in  the  negative  Y-­‐Quadrant.  This  is  because  the  purple  axis  that  was  used  to  create  a  coordinate  plane  in  the  video  footage  was  inverted.  As  shown  in  Figure  3.0,  the  skateboard  had  started  its  descent  in  the  negative  quadrant  on  the  axis  and  it’s  position  value  slowly  became  more  positive  which  is  why  the  average  position  is  in  the  negative  Y-­‐quadrant  but  shows  a  positive  trend  line.      This  explanation  will  apply  to  all  subsequent  graphs.       To  determine  the  acceleration  of  the  52-­‐Skateboard,  an  equation  for  its  motion  had  to  be  produced.  This  was  done  using  a  TI-­‐  84  calculator.  The  subsequent  explanation  on  how  to  obtain  the  equation  will  apply  to  every  other  non-­‐differentiated/integrated  function  in  this  exploration.    The  Exploration:  Determining  the  Equation  from  the  Raw  Data:       To  determine  the  equation,  our  X  and  Y  values  had  to  be  obtained.  For  the  purpose  of  obtaining  a  function  for  the  average  position  as  a  function  of  time,  the  average  positions  were  calculated  by  Microsoft  Excel  and  placed  in  a  table  which  can  be  seen  in  Table  1.0,  2.0  and  3.0  along  with  Appendix  A,  B,  and  C.  The  positions  were  our  Y-­‐values  while  the  value  for  time  was  our  X-­‐values.  To  determine  the  equation  of  the  line,  the  data  was  plotted  in  Microsoft  excel  and  a  scatter  plot  was  produced.  Then  a  trend  line  was  applied  to  the  graph  and  the  trend  line  with  the  largest  R2  value  was  used.  R2  is  a  value  that  represents  how  accurate  the  trend  line  best  models  the  data  where  accurate  functions  have  an  R2  value  close  to  1  and  inaccurate  functions  have  an  R2  value  close  to  zero.  In  this  exploration,  all  graphs  showing  the  average  displacement  of  the  skateboard  as  a  function  of  time  could  be  modeled  by  the  polynomial  trendline  which  gave  a  quadratic  function  as  the  polynomial  trend  line  had  the  largest  R2  value.  To  reaffirm  the  derived  equation  from  Excel,  a  TI-­‐84  Calculator  was  used  to  plot  the  data  in  a  graph  and  verify  if  the  obtained  quadratic  function  on  the  Graphing  Calculator  was  the  same    as  the  one  that  was  obtained  from  Excel.    The  explanation  for  how  to  do  this  will  be  shown  below:    *Note  that  the  following  screenshots  contain  arbitrary  values  that  were  not  used  in  

this  exploration.      First  of  all,  on  the  TI-­‐84,  press:  STAT  and  then  EDIT.  This  will  bring  up  the  menu  that  is  shown  on  the  right  in  Figure  5.0.  There  will  be  two  lists;  L1  and  L2.  In  L1  input  all  values  for  the  X-­‐Coordinate,  which  represents  each  value  for  the  time.  In  L2  in  put  all  the  values  for  the  position  of  the  skateboard  at  each  respective  point  in  time.  

 Secondly,  after  plotting  all  values  in  both  L1  and  L2,  press:  2nd  and  Mode,  this  will  exit  to  the  home  screen.  From  here,  press:  STAT,  shift  once  to  the  right  

Figure  5.0  

Figure  6.0  

  11  

and  you  will  be  in  the  CALC  screen.  From  here,  scroll  down  and  press  QuadReg.        

 Thirdly,  after  pressing  QuadReg,  you  will  be  brought  to  a  new  menu,  which  at  the  bottom  will  say  Calculate.  Press  calculate  and  you  will  be  brought  to  the  screen  shown  in  Figure  7.0  which  will  give  the  values  for  the  Quadratic  function  

 (Guide  for  Texas  Instruments)        The  Exploration:  Determining  the  Acceleration  of  the  52-­‐Skateboard:    After  plotting  the  displacement  of  the  52-­‐Skateboard  as  a  function  of  time  on  both  Excel  and  the  TI-­‐84,  the  following  function  was  obtained:    

𝑠 𝑡 = 537.35𝑥! − 333.5𝑥 − 379.61    Where  S  is  the  displacement  in  centimeters  and  t  is  the  specific  time  in  seconds.  This  function  allows  us  to  predict  the  position  of  the  52-­‐Skateboard  at  any  value  of  t  for  time.  We  can  deduce  that  that  function  is  fairly  accurate  and  models  the  exact  nature  of  the  52-­‐skateboard’s  motion  by  referring  to  the  R2  value  which  is  0.98919,  which  is  very  close  to  1,  hence  showing  that  the  equation  is  an  accurate  model  for  the  displacement  of  the  52-­‐skateboard  as  a  function  of  time.    By  taking  the  second  derivative  of  the  function  above,  the  acceleration  of  the  skateboard  can  be  determined.    This  is  based  on  the  definitions  of  velocity  and  acceleration  where  velocity  is  the  rate  of  change  of  displacement  or  the  derivative  of  a  function  of  displacement  with  respect  to  time,  as  shown  below:    

𝑠! 𝑡 =𝑑𝑠𝑑𝑡 = 𝑣(𝑡)  

And  acceleration  is  the  rate  of  change  of  velocity  with  respect  to  time:  

𝑠!! 𝑡 =𝑑𝑣𝑑𝑡 = 𝑎(𝑡)  

 By  understanding  the  definitions  of  velocity  and  acceleration,  we  can  determine  the  acceleration  of  the  52-­‐Skateboard,  which  will  be  shown  below:    𝑠(𝑡) = 537.35𝑥! − 333.5𝑥 − 379.61  ßThis  is  the  original  function  for  position.        𝑠! 𝑡 = 𝑣(𝑡) = 1074.7𝑥 − 333.5    ßBy  taking  the  first  derivative  of  the  original  function,  a  new  function  for  the  velocity  can  be  obtained  

Figure  7.0  

  12  

     𝑠!! 𝑡 = 𝑎(𝑡) = 1074.7  ßBy  differentiating  the  velocity  function  once  more,  the  acceleration  of  the  particle  can  be  determined    Therefore  the  acceleration  is  1074.7  cms-­‐2,  which  can  further  be  expressed  as  10.747  ms-­‐2  by  dividing  the  value  by  100  and  converting  the  units  from  cms-­‐2    to  ms-­‐2.    The  conversion  is  shown  below:    

1074.7  𝑐𝑚 ∗1  𝑚

100  𝑐𝑚 =1074.7  𝑐𝑚 ∗𝑚

100  𝑐𝑚 = 10.747  𝑚    10.474  ms-­‐2  is  the  acceleration  of  the  52-­‐Skateboard.    This  value  will  be  compared  to  the  derived  accelerations  of  both  the  53-­‐Skateboard  and  the  54-­‐Skateboard  to  see  if  there  is  a  relationship  between  the  diameter  of  the  wheel  and  it’s  acceleration.    The  explanation  shown  above  will  apply  to  all  subsequent  calculations.    The  Exploration:  Determining  the  Acceleration  for  the  53-­‐Skateboard:  

   

   

Table  2.0  shows  the  condensed  table  displaying  the  average  position  and  standard  deviations  for  the  53-­‐Skateboard.  The  excluded  data  is  shown  in  Appendix  B.    For  the  53-­‐Skateboard,  the  time  interval  that  was  chosen  was  between  0.533-­‐0.867  seconds  for  the  same  reasons  as  stated  in  “Making  Sense  of  the  Raw  Data”.    Figure  8.0  below  shows  a  scatter  plot  showing  time  on  the  X-­‐axis  and  the  average  position  of  the  53-­‐skateboard  on  the  Y-­‐axis  with  an  accompanying  equation.    

Table  2.0  

Time%(s) Trial%1 Trial%2 Trial%3 Trial%4 Trial%5 Average Standard%Deviation0.533 %427.869 %419.599 %444.512 %486.144 %416.473 %438.9194 28.55110.550 %425.736 %416.725 %443.254 %483.307 %413.531 %436.5106 28.59630.567 %422.949 %412.248 %442.005 %480.33 %412.289 %433.9642 28.62330.583 %419.546 %408.835 %441.217 %477.347 %408.288 %431.0466 29.11500.600 %416.53 %404.98 %439.525 %473.329 %404.21 %427.7148 29.21720.617 %412.559 %400.812 %438.38 %470.188 %399.978 %424.3834 29.9375

Position%(cm)

  13  

   The  accompanying  equation  for  the  graph  shown  in  Figure  5.0  is:  

𝑠 𝑡 = 644.35𝑥! − 622.12𝑥 − 287.49    Which  is  a  function  that  allows  us  to  predict  the  position  of  the  53-­‐Skatboard  at  any  time  interval.  This  function  is  a  strong  model  for  the  data  as  the  R2  is  0.98234,  which  is  fairly  close  to  1,  hence  showing  it’s  accuracy.  This  function  was  obtained  by  using  both  Microsoft  Excel  and  a  TI-­‐84  Graphing  Calculator.    As  stated  before  in  Determining  the  Acceleration  of  the  52-­‐Skateboard,  by  taking  the  second  derivative  of  the  function  above,  the  acceleration  of  the  53-­‐Skateboard  can  be  determined.      These  calculations  are  shown  below:    𝑠 𝑡 = 644.35𝑥! − 622.12𝑥 − 287.49  𝑠! 𝑡 = 𝑣 𝑡 = 1288.7𝑥 − 622.12  𝑠!! 𝑡 = 𝑎 𝑡 = 1228.7    As  explained  in  Determining  the  Acceleration  of  the  52-­‐Skateboard,  the  first  derivative  of  a  position  function  is  a  function  for  the  velocity  therefore  the  second  derivative  of  the  position  function  is  a  function  for  the  acceleration  of  the  particle.    Through  the  calculations  shown  above,  it  has  been  determined  that  the  acceleration  of  the  53-­‐Skateboard  was  1228.7  cms-­‐2  which,  by  metric  conversions,  is  12.887  ms-­‐2.    

y  =  644.35x2  -­‐  622.12x  -­‐  287.49  R²  =  0.98234  

-­‐450  

-­‐430  

-­‐410  

-­‐390  

-­‐370  

-­‐350  

-­‐330  

-­‐310  0.500   0.550   0.600   0.650   0.700   0.750   0.800   0.850   0.900  

Position  (cm)  

Time  (s)  

53-­‐Skateboard:  Position  VS  Time  

Figure  8.0  

  14  

 The  Exploration:  Determining  the  Acceleration  of  the  54-­‐Skateboard:  

   

Table  3.0  shows  the  condensed  table  displaying  the  average  position  and  standard  deviations  for  the  54-­‐Skateboard.  The  excluded  data  is  shown  in  Appendix  C.    For  the  54-­‐Skateboard,  the  time  interval  that  was  chosen  was  between  0.400-­‐0.944  seconds  for  the  same  reasons  as  stated  in  “Determining  the  Acceleration  for  the  52-­‐Skateboard”.    Figure  9.0  below  shows  a  scatter  plot  showing  time  on  the  X-­‐axis  and  the  average  position  of  the  54-­‐skateboard  on  the  Y-­‐axis  with  an  accompanying  equation.      

   

                                   

The  accompanying  equation  for  the  graph  shown  in  Figure  9.0  is:  𝑠 𝑡 = 691.52𝑥! − 574.5𝑥 − 306.82  

 

Table  3.0  

Figure  9.0  

  15  

Which,  with  referral  to  the  R2  value  of  0.97758,  very  accurately  models  the  position  of  the  54-­‐Skateboard  as  a  function  of  time.    This  equation  was  obtained  using  a  TI-­‐84  calculator  and  Microsoft  Excel.  The  steps  are  shown  in  Determining  the  Equation  from  the  Raw  Data.    As  stated  before  in  Determining  the  Acceleration  of  the  52-­‐Skateboard,  by  taking  the  second  derivative  of  the  function  above,  the  acceleration  of  the  53-­‐Skateboard  can  be  determined.    These  calculations  are  shown  below:      𝑠(𝑡) = 691.52𝑥! − 574.5𝑥 − 306.82  𝑠! 𝑡 = 𝑣 𝑡 = 1383.04𝑥 − 574.5  s’’(t)  =  a(t)=  1383.04    Through  the  calculations  shown  above,  it  has  been  determined  that  the  acceleration  of  the  53-­‐Skateboard  was:  1383.04  cms-­‐2,  which,  by  metric  conversions,  is  13.8304  ms-­‐2.      The  Exploration:  Mapping  the  Relationship  Between  the  Diameter  of  a  Wheel  and  the  Skateboard’s  Acceleration:    

Diameter  (mm)   Average  Acceleration  (ms-­‐2)  52   10.474  53   12.887  54   13.8304  

   Table  4.0  above  shows  the  respective  calculated  accelerations  for  each  skateboard  with  varying  wheel  sizes  (mm).    When  graphing  the  average  acceleration  as  a  function  of  the  wheel’s  diameter,  the  expectation  was  to  look  at  the  R2  values  and  see  which  trend-­‐line  could  best  model  the  relationship  between  the  acceleration  and  the  wheel  size.  At  a  glance,  I  expected  a  linear  relationship  between  the  acceleration  and  the  wheel  diameter.  Figure  10.0  shows  a  graphical  representation  of  the  average  acceleration  as  a  function  of  time  with  a  linear  trendline.  

Table  4.0  

  16  

                           

    Figure  10.0  shows  a  strong  linear  correlation  between  the  diameter  of  the  wheel  (mm)  and  the  average  acceleration  of  the  skateboard  (ms-­‐2)  with  a  linear  function  of  a(D)=1.6782x  –  76.547  which  has  a  large  R2  value  of  0.93993,  which  suggests  that  this  function  is  an  accurate  model  .  This  equation  was  calculated  by  plotting  the  values  shown  in  Table  4.0  into  Microsoft  Excel  in  order  to  create  both  an  equation  and  obtain  the  value  for  R2.  Afterwards,  the  TI-­‐84  Calculator  was  used  to  reaffirm  the  authenticity  of  equation  using  the  method  shown  in  Determining  the  Equation  from  the  Raw  Data.       This  should  have  been  the  end  of  the  exploration  however,  out  of  curiosity,  I  wanted  to  see  if  any  other  trendline  could  be  applied  to  the  data.  To  my  complete  surprise,  when  I  plotted  the  polynomial  trendline  to  the  data,    I  got  a  function  that  had  an  R2  value  of  1!  This  suggested  that  the  quadratic  function  was  a  perfect  representation  of  the  relationship  between  the  diameter  of  a  wheel  and  it’s  acceleration.  This  graph  is  shown  below  in  Figure  11.0.    

 

Logically,  the  equation  with  the  largest  R2  value  should  be  the  one  that  is  used  to  model  the  relationship  between  the  skateboard  and  it’s  wheel  diameter.    

Figure  10.0  

y"="1.6782x"+"76.547"R²"="0.93993"

10"

10.5"

11"

11.5"

12"

12.5"

13"

13.5"

14"

14.5"

51.5" 52" 52.5" 53" 53.5" 54" 54.5"

Avera

ge'Ac

celera

*on'(

ms02 )'

Diameter'of'Wheel'(mm)'

Diameter'of'Skateboard'Wheel'VS'Average'Accelera*on'(Linear)'

Figure  11.0  

y"="$0.7348x2"+"79.567x"$"2140.1"R²"="1"

10"

10.5"

11"

11.5"

12"

12.5"

13"

13.5"

14"

14.5"

51.5" 52" 52.5" 53" 53.5" 54" 54.5"

Avera

ge''A

cceler

a*on

'(ms02)'

Diameter'of'Wheel'(mm)'

Diameter'of'Skateboard'Wheel'VS'Average'Accelera*on'(Polynomial)'

  17  

  Based  on  this  premise,  that  means  that  the  acceleration  of  a  skateboard  can  be  obtained  using  this  equation  a(D)  =-­‐0.7348D2  +  79.567D  –  2140.1    where  “a”  is  the  acceleration  of  the  skateboard  and  D  is  its  diameter.       However  the  fact  that  this  is  a  quadratic  function  brings  to  light  several  things  that  don’t  necessarily  make  sense.    First,  it  suggests  that  there  is  a  maximum  value  for  the  diameter  of  the  skateboard  which  would  result  in  the  greatest  acceleration.  This  value,  which  can  be  obtained  by  calculating  both  the  vertex  of  the  quadratic  function  or  by  differentiating  the  function  and  calculating  it’s  stationary  point,  suggests  that  there  is  a  maximum  threshold  for  the  wheel  size  diameter.  By  having  a  threshold,  it  implies  that  any  diameter  greater  than  the  threshold  would  result  in  a  decrease  in  acceleration  as  compared  to  it’s  predecessors  and  any  increase  in  the  diameter  converging  towards  the  threshold  would  result  in  an  increase  in  acceleration  until  the  threshold  has  been  met.  This  means  that  skateboard  would  slow  down  if  the  diameter  of  the  wheel  increased  passed  the  threshold.         Beyond  this,  if  the  relationship  is  assumed  to  be  modeled  by  a  quadratic  function,  then  there  is  also  the  underlying  assumption  that  there  are  two  diameters  which  would  have  no  acceleration  at  all.  From  a  mathematical  perspective,  these  diameters  would  be  the  X-­‐intercepts  for  the  quadratic  function.       Both  the  suggestion  that  there  are  two  diameters  which  will  result  in  zero  acceleration  along  with  one  specific  diameter  that  will  provide  a  maximum  acceleration  and  a  maximum  diameter  seems  very  counterintuitive.  This  is  because  first  of  all,  if  a  skateboard  is  experiencing  zero  acceleration,  then  it  means  that  no  matter  how  hard  a  rider  pushes,  he  will  never  be  able  to  speed  up.  Objects  need  to  accelerate  initially  in  order  to  start  moving.  If  an  object  can’t  accelerate  at  all,  which  is  what  is  implied  by  this  equation,  then  the  object  can’t  move.  Meaning  that  any  skateboard  with  a  diameter  at  the  X-­‐intercepts  for  the  equation  will  not  be  able  to  move  at  all.  Beyond  this,  if  there  is  a  threshold  for  the  maximum  acceleration  and  diameter,  then  it  implies  that  any  diameter  greater  than  the  threshold  will  result  in  the  skateboard  slowing  down.         Because  of  these  implications,  I  have  trouble  reconciling  myself  with  the  quadratic  model.  It  seems  very  counter  intuitive.      On  the  other  hand,  from  Figure  10.0,  if  we  apply  this  linear  relationship  to  model  the  relationship  between  the  diameter  and  the  skateboard’s  acceleration,  it  means  that  by  increasing  the  diameter  of  the  skateboard  wheel,  the  skateboard’s  average  acceleration  will  increase  as  well.  This  seems  like  a  much  more  attractive  and  realistic  model  as  there  is  no  threshold  value  for  the  diameter  and  there  is  only  one  value  for  the  diameter  which  would  have  zero  acceleration  as  opposed  to  two  values,  as  proposed  in  the  quadratic  model.       This  linear  models  seems  much  more  realistic  yet  by  referral  to  the  R2  values,  it  seems  that  the  quadratic  model  is  the  more  accurate  depiction  for  the  relationship  between  the  diameter  of  a  wheel  and  it’s  acceleration  despite  all  the  strange  implications  that  come  out  of  it.  

  18  

    The  subsequent  sections  of  this  investigation  will  seek  to  determine  the  maximum  threshold  for  the  quadratic  model,  the  values  for  the  diameter  that  will  have  no  acceleration,  and  in  the  end  will  try  to  explain  whether  this  models  is  an  accurate  model,  despite  the  large  R2  value,    and  if  it  is  proven  that  this  model  was  incorrect,  will  suggest  reasons  as  to  why  this  occurred.        The  Exploration:  Understanding  the  Quadratic  Model:       If  we  are  to  assume  that  the  equation  from  the  quadratic  graph  is  the  true  model  for  the  relationship  between  the  wheel  size  of  a  skateboard  and  it’s  average  acceleration,  than  by  calculating  the  point  of  inflexion  for  the  curve  we  can  determine  what  wheel  size  would  create  the  maximum  acceleration.    Our  function  is:    a(D) = −0.7348D!  +  79.567D  –  2140.1         By  taking  the  first  derivative  of  this  function  and  equating  the  gradient  to  0,  we  can  determine  at  what  value  of  D  will  we  have  a  point  of  inflexion  (which  should  be  a  maximum  but  this  will  be  proved  later  on).  This  value  of  D  will  be  the  diameter  of  the  wheel  that  yields  the  largest  possible  average  acceleration  if  this  model  is  assumed  to  be  true.    So:    𝑎! 𝐷 = −1.4696𝐷 + 79.567  0 = −1.4696𝐷 + 79.567  −1.4696𝐷 = −79.567  

𝐷 =−79.567−1.4696  

= 54.14194339  =54       Despite  getting  a  decimal  an  answer,  by  convention  we  represent  diameters  as  whole  numbers  hence  why  D  was  simplified  to  be  54  mm.  It  is  important  to  note  that  the  unrounded  value  for  D  is  the  real  diameter  at  which  there  will  be  maximum  acceleration.       From  the  calculations  above,  we  have  shown  that  54  is  a  stationary  point  as  it  is  the  value  of  D  when  the  derivative  is  equal  to  zero  yet  to  determine  if  this  is  a  maximum  or  a  minimum  point,  the  two  points  53  and  55  will  be  used  to  compare  gradients.      53:    𝑎! 53 = ((−)1.4696 53 +  79.567) =  1.6782  

   

ßD  is  the  symbol  for  diameter  (mm)  

  19  

This  is  a  positive  value  which  indicates  all  values  before  54  will  have  a  positive  gradient.    55:    𝑎! 55 = ( − 1.4696 55 +79.567)=    -­‐1.261    As  this  value  is  a  negative  value,  this  indicates  that  all  values  greater  than  54  will  have  a  negative  gradient.    The  findings  can  be  summarized  in  the  table  below:    (D)   53   54   55  a’(D)   +   0   -­‐  Shape  of  Curve  

     

 Table  5.0  shows  the  sign  for  each  value  of  D  as  well  as  a  depiction  of  what  the  curve  would  look  like.    This  table  shows  that  when  D=  54,  it  is  a  maximum  value.    By  substituting  54  into  the  original  function,  we  can  determine  the  maximum  possible  acceleration  for  a  skateboard  wheel.  These  calculations  are  shown  below:  a(D) = −0.7348D!  +  79.567D  –  2140.1    𝑎 54 = −0.7348 54 ! + 79.567 54 − 2140.1 = 13.8412    The  acceleration  for  a  wheel  with  a  diameter  of  54  mm  is  shown  to  be  13.8  ms-­‐2.    Based  on  the  calculations  above,  the  maximum  possible  wheel  size  that  a  skateboard  can  have  is  54  mm  in  diameter  and  would  reach  an  average  acceleration  of  13.8  ms-­‐2.      If  the  polynomial  function  is  to  be  applied,  then  that  would  indicate  that  as  the  wheel  size  increases  passed  54  mm,  the  average  acceleration  of  the  wheel  would  decrease.  This  is  shown  in  Figure  12.0  below  where  the  equation  for  the  polynomial  is  extrapolated  to  include  a  domain  of  47  mm  ≤  x  ≤  62  mm:    

Table  5.0  

  20  

       

                             The  extrapolated  accelerations  were  obtained  by  inputting  47-­‐62  into  the  value  for  D  for  the  quadratic  function.  These  findings  are  summarized  below  in  Table  6.0:  

     

                             With  referral  to  Figure  12.0,  because  the  graph  is  a  concave-­‐down  graph  where  the  Y-­‐Axis  is  average  acceleration  (ms-­‐2)  and  the  X-­‐axis  is  the  diameter  of  the  wheel  (mm),  we  see  that  as  the  value  of  X  increases,  the  value  of  Y  will  decrease  as  it  increases  beyond  our  maximum  point  of  54  mm.      To  verify  whether  54  is  the  maximum  diameter  for  a  skateboard  wheel  for  there  to  be  the  largest  possible  acceleration,  the  vertex  of  the  quadratic  function  will  be  obtained.  These  calculations  will  be  shown  below:    

𝑉𝑒𝑟𝑡𝑒𝑥 =  −𝑏2𝑎  

y"="$0.7348x2"+"79.567x"$"2140.1"R²"="1"

$36"$33"$30"$27"$24"$21"$18"$15"$12"$9"$6"$3"0"3"6"9"12"15"18"

45" 47" 49" 51" 53" 55" 57" 59" 61" 63"

Average'Ac

celera*o

n'(m

s02)'

Diameter'of'Skateboard'Wheel'(mm)'

Diamater'of'Skateboard'Wheel'VS'Average'Accelera*on'(Extrapolated)'

Figure  12.0  

Table  6.0  

  21  

Our  function  for  average  acceleration  as  a  function  of  wheel  diameter  is  in  the  standard  form  for  a  quadratic  equation  which  is:  

𝑆𝑡𝑎𝑛𝑑𝑎𝑟𝑑  𝐹𝑜𝑟𝑚 = 𝐴𝑥! + 𝐵𝑥 + 𝑐  So  by  looking  at  our  function:  

a(D) = −0.7348D!  +  79.567D  –  2140.1    We  see  that:  A=-­‐0.7348  B=  79.567  and  C=  2140.1    So  by  using  our  equation  for  the  vertex,  we  can  verify  whether  54  is  a  maximum  point.    

𝑉𝑒𝑟𝑡𝑒𝑥 =  −𝑏2𝑎  

 

= −79.567

2 ∗ − 0.7348 = 54.14194339  

This  is  the  exact  same  value  obtained  by  equating  the  first  derivative  to  zero  and  solving  for  D  prior  to  rounding  to  the  nearest  whole  number.    For  the  sake  of  simplification,  we  can  assume  that  the  X  coordinate  of  our  vertex  is  54  which  is  the  same  value  that  we  determined  to  be  the  maximum  point.    Through  using  both  the  first  derivative  to  obtain  a  stationary  point  and  by  calculating  the  vertex  for  the  parabolic  curve  we  have  found  that  if  this  equation  is  to  be  used,  then  the  maximum  acceleration  will  be  obtained  when  the  diameter  of  the  wheel  is  54  mm.  Any  wheel  with  a  larger  diameter  will  experience  a  decrease  in  it’s  acceleration.    The  first  thing  that  this  makes  me  think  is  that  any  diameters  greater  than  54  will  result  in  the  skateboard  slowing  down  rather  than  increasing  in  speed  as  indicated  by  the  decrease  in  acceleration.      Yet  this  model  seems  very  counter  intuitive.  Why  would  an  increase  in  the  size  of  the  wheel  decrease  it’s  average  acceleration?  In  this  experiment  the  brand  and  manufacturing  of  the  wheel  remained  constant.  The  amount  of  force  that  was  applied  to  the  skateboard  remained  constant  as  it  was  rolled  from  an  inclined  plane  and  the  only  force  acting  on  it  was  gravity.  Though  one  can  say  that  the  increased  diameter  of  the  wheel  increased  the  mass  of  the  wheel  as  it’s  overall  size  was  increasing,  this  could  not  have  slowed  down  the  wheel  so  much  since  we  were  working  in  a  very  small  range.        TO  me,  this  model  does  not  make  much  sense.  Initially,  I  would  assume  that  the  greater  the  diameter  of  the  wheel,  the  more  distance  the  wheel  could  cover  in  a  given  time  period  given  that  it  has  a  greater  circumference.    

  22  

To  demonstrate  this  point,  I  have  produced  a  proof  and  an  explanation  below  to  explain  my  theory.    The  Exploration:  Proof:    First  of  all,  we  have  to  assume  that  each  wheel  is  a  perfect  circle.    So  if  we  have  Wheel  1  with  a  radius  of  1  meter  and  Wheel  2  with  a  radius  of  2  meters  then  we  can  calculate  the  distance  the  wheel  will  travel  in  one  revolution  by  calculating  the  circumference,  which  we  know,  is  obtained  by  using  the  equation:  

𝐶𝑖𝑟𝑐𝑢𝑚𝑓𝑒𝑟𝑛𝑒𝑐𝑒 = 2 ∗ 𝑃𝑖 ∗ 𝑅      Wheel  1:  If  Radius=1  meter,  then  the  circumference  is  2 ∗ 𝑃𝑖 ∗ 1 = 6.3  𝑚𝑒𝑡𝑒𝑟𝑠  (2  𝑠𝑖  𝑓𝑖𝑔𝑠)    Wheel  2:    If  the  Radius=  2  meters,  then  the  circumference  is  2 ∗ 𝑃𝑖 ∗ 2 = 13  meters  (2  sig  figs)    Since  we  have  calculated  the  circumference  for  both  Wheel  1  and  Wheel  2,  we  can  now  determine  which  wheel  is  faster.  By  setting  a  fixed  distance  of  40  units,  if  we  calculate  quotient  of  40  and  both  the  circumference  of  Wheel  1  and  Wheel  2,  we  can  determine  how  many  revolutions  does  the  wheel  need  to  make  in  order  to  cover  this  distance.  This  calculation  is  shown  below:    Wheel  1:    

𝑅𝑒𝑣𝑜𝑙𝑢𝑡𝑖𝑜𝑛𝑠 =  406.3 = 6.3  𝑟𝑒𝑣𝑜𝑙𝑢𝑡𝑜𝑖𝑛𝑠   2  𝑠𝑖𝑔  𝑓𝑖𝑔𝑠  

Wheel  2:  

𝑅𝑒𝑣𝑜𝑙𝑢𝑡𝑖𝑜𝑛𝑠 =  4013 = 3.0  𝑟𝑒𝑣𝑜𝑙𝑢𝑡𝑖𝑜𝑛𝑠   2  𝑠𝑖𝑔  𝑓𝑖𝑔𝑠  

 If  both  wheels  were  pushed  down  an  inclined  plane  with  the  same  amount  of  force  and  frictional  forces  were  considered  negligible,  then  from  the  calculation  shown  above,  we  can  conclude  that  Wheel  2,  the  wheel  with  the  larger  diameter,  would  cover  the  same  distance  as  wheel  1  in  fewer  spins.  This  means  that  wheel  2  is  moving  faster  than  wheel  one  because  it  can  cover  more  distance  than  wheel  1  in  a  given  time.    We  can  prove  this  even  further  by  setting  a  fixed  number  of  revolutions  and  seeing  which  wheel  would  cover  more  distance.    Lets  say  we  want  to  calculate  the  distance  traveled  for  both  wheels  in  ten  revolutions,  from  the  calculations  below,  we  will  see  that  the  wheel  with  the  larger  radius  will  cover  more  distance  in  the  same  amount  of  revolutions:    We  can  use  cross  multiplication  to  determine  the  total  distance  travelled  by  each  wheel.  This  is  shown  below:    

  23  

   Wheel  1:  

𝐷𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑒  𝑇𝑟𝑎𝑣𝑒𝑙𝑙𝑒𝑑 =6.3  𝑚𝑒𝑡𝑒𝑟𝑠1  𝑅𝑒𝑣𝑜𝑙𝑢𝑡𝑖𝑜𝑛   =

𝑋  𝑚𝑒𝑡𝑒𝑟𝑠10  𝑅𝑒𝑣𝑜𝑙𝑢𝑡𝑖𝑜𝑛𝑠    

 𝑋 = 6.3 ∗ 10  

= 63    The  first  function  represents  the  circumference  of  the  wheel.  Within  just  one  revolution,  the  wheel  would  have  travelled  the  distance  of  its  circumference.  By  using  cross  multiplication,  we  can  use  this  conversion  to  determine  the  distance  that  the  wheel  would  travel  if  it  were  to  undergo  10  revolutions.      For  Wheel  2  the  exact  same  procedure  will  be  used  as  shown  below.    Wheel  2:  

𝐷𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑒  𝑇𝑟𝑎𝑣𝑒𝑙𝑙𝑒𝑑 =13  𝑚𝑒𝑡𝑒𝑟𝑠

1  𝑅𝑒𝑣𝑜𝑙𝑢𝑡𝑖𝑜𝑛   =𝑋  𝑚𝑒𝑡𝑒𝑟𝑠

10  𝑅𝑒𝑣𝑜𝑙𝑢𝑡𝑖𝑜𝑛𝑠      

𝑋 = 13 ∗ 10  = 130  

   From  this,  we  can  see  that  Wheel  2  will  cover  a  greater  distance  in  the  same  amount  of  revolutions  as  Wheel  1.  This  shows  that  the  greater  the  diameter  of  the  wheel,  the  more  distance  the  wheel  can  travel  per  revolution  which  means  that  the  greater  the  diameter  of  the  wheel,  the  greater  it’s  speed.      Yet  despite  this  proof,  the  polynomial  function  completely  contradicts  the  logic  of  this  proof.      The  polynomial  models  suggest  that  after  the  threshold  diameter,  the  skateboard’s  acceleration  would  decrease  and  ultimately  slow  down.      Beyond  this,  my  biggest  issue  with  this  quadratic  model  was  that  it  also  assumed  that  there  were  two  diameters  for  the  wheels,  which  would  result  in  no  acceleration  whatsoever.      We  can  see  this  by  using  the  Quadratic  Formula  to  calculate  the  X-­‐intercepts  of  our  function,  which  represents  the  wheel  size  diameters  that  have  zero  acceleration.    The  Quadratic  Formula  is:    

𝑋 =−𝐵 ± 𝐵! − 4𝐴𝐶

2𝐴  

  24  

So  by  inputting  our  quadratic  function,  which  shows  the  acceleration  of  the  skateboard  as  a  function  of  its  wheel  diameter  into  the  quadratic  equation,  we  can  calculate  both  wheel  sizes  that  experience  zero  acceleration.    So  our  original  equation  is:    

a(D) = −0.7348D!  +  79.567D  –  2140.1        Where:  A=  -­‐0.7348  B=  79.567  And  C=  -­‐2140.1    By  inputting  these  values  into  the  quadratic  function,  we  can  calculate  the  diameters  of  the  wheel,  which  apparently  will  have  no  acceleration.      These  calculations  are  shown  below:    

𝐷 =−𝐵 ± 𝐵! − 4𝐴𝐶

2𝐴    

𝐷 =−79.567± 79.567! − 4(−0.7348)(−2140.1)

2  −0.7348  

   

𝐷 =−79.567± 6330.907489 − (6290.18192)

2  −0.7348  

 

𝐷 =−79.567± 40.725569

−1.4696    

𝐷 =−79.567± (6.381658797)

−1.4696    From  this  function,  we  can  calculate  both  diameters  that  will  have  an  acceleration  of  zero,  which  will  be  referred  to  as  D1  and  D2,  respectively  from  this  point  on.  .  

𝐷! =−79.567+ 6.381658797

−1.4696  = 49.79949728  = 49  (2  𝑠𝑖𝑔. 𝑓𝑖𝑔𝑠)  

 As  shown  above,  D1  ,  which  is  one  of  the  two  diameters  which  would  result  in  zero  acceleration,  is  49  mm.  With  the  calculation  for  D1,  (-­‐)B  was  added  to  the  square  root  of  B2-­‐4AC.    

  25  

The  calculation  for  D2,  which  is  the  second  diameter  in  which  the  acceleration  is  zero,  is  shown  below:    

𝐷! =−79.567− 6.381658797

−1.4696  

=−(85.9486588)

−1.4696  = 58.48438949  

= 58   2  𝑠𝑖𝑔. 𝑓𝑖𝑔𝑢𝑟𝑒𝑠    As  shown  above,  D2  is  equal  to  58  mm.  it  is  important  to  note  that  in  this  calculation  (-­‐)B  was  subtracted  from  the  square  root  of  B2-­‐4AC.  Although  in  Table  6.0  the  values  for  D1  and  D2  are  shown  to  have  non-­‐zero  accelerations,  the  values  were  simplified  with  no  decimals  to  represent  them  in  a  familiar  and  conventional  form.  The  true  values  for  D1  and  D2  at  which  the  acceleration  is  zero  is  the  unrounded  form  shown  above.    Although  the  maths  makes  sense  and  the  R2  value  was  a  perfect  match,  I  don’t  like  how  the  polynomial  model  suggests  that  when  the  wheel  diameter  is  48  mm  or  58  mm,  the  skateboard  experiences  no  acceleration  at  all.    This  is  incredibly  counter  intuitive  because  when  the  skateboard  was  released  down  the  incline  plane,  the  only  force  acting  on  it  was  gravity,  which  means  that  the  skateboard  should  experience  some  sort  of  acceleration  as  there  was  a  force  acting  on  it.    By  Newton’s  second  law,  the  Acceleration  is  directly  proportional  to  the  force  that  the  object  experiences.  This  is  related  by  the  following  equation:    

𝐹 = 𝑚 ∗ 𝑎  Where  F  is  the  force  in  Newtons,  m  is  the  mass  of  the  object  in  kilograms,  and  a  is  the  acceleration  in  ms-­‐2.  Since  mass  is  always  constant,  we  can  see  that  acceleration  is  directly  proportional  to  the  force.    And  when  gravity  acts  on  an  object,  it  exerts  a  downward  force  indicating  by  Newton’s  second  law  that  the  object  must  be  accelerating  (Newton’s  Second  Law).    Yet  this  quadratic  model  contradicts  this  very  well  established  law  of  Physics,  which  makes  me  seriously  question  the  accuracy  of  this  model  despite  the  large  R2  value.    Upon  serious  contemplation  about  the  implications  of  the  quadratic  model,  I  realized  that  I  had  a  serious  misconception  about  the  very  nature  of  acceleration.      Initially,  I  had  believed  that  any  value  passed  the  threshold  of  54  mm  would  result  in  the  skateboard  slowing  down  which  to  me  seemed  incredibly  counter  intuitive  as  this  is  what  I  believed  a  decrease  in  acceleration  implied.  But  later  on,  I  realized  that  a  particle  could  still  have  negative  acceleration  and  still  be  speeding  up!      

  26  

Based  off  of  this  premise,  I  believe  that  if  I  can  prove  that  the  skateboard  is  not  slowing  down  after  the  threshold  value,  then  the  implications  that  I  had  put  forth  before  about  the  quadratic  model  can  be  negated  and  we  can  then  assume  that  the  linear  model  is  the  more  accurate  way  of  representing  the  data,  as  this  suggests  that  the  greater  the  diameter,  the  more  the  skateboard  will  speed  up.  This  belief  is  also  supported  by  the  proof  shown  above.    In  short,    I  aim  to  prove  that  as  the  diameter  increases,  the  skateboard  never  slows  down  but  rather,  continues  to  speed  up.    Doing  this  is  very  simple,  we  can  figure  out  if  an  object  is  speeding  up  or  slowing  down  if  both  the  acceleration  and  its  velocity  have  the  same  sign  and  are  in  the  same  direction.  For  example,  if  a  particle  has  a  positive  velocity  (denoted  by  a  “+”)  and  a  positive  acceleration,  then  it  is  speeding  up.  If  a  particle  has  a  negative  velocity  (denoted  by  a  “-­‐“)  and  a  negative  acceleration,  then  it  is  also  speeding  up.  However,  if  a  particle  has  a  positive  velocity  and  a  negative  acceleration  or  vice  versa,  then  it  is  slowing  down.    The  reason  why  a  particle  with  both  a  negative  acceleration  and  velocity  is  actually  speeding  up  is  because  of  the  vector  nature  of  these  quantities.  If  the  velocity  of  a  particle  is  negative,  then  it  is  simply  moving  in  the  negative  direction,  and  if  it’s  acceleration  is  negative,  then  it’s  velocity  is  simply  increasing  in  the  negative  direction,  which  the  particle  is  moving  in  to  begin  with.  This  would  result  in  an  overall  increase  in  speed.      This  is  the  same  premise  that  is  to  be  applied  if  the  particles  had  opposite  sign  accelerations  and  velocities.  If  the  velocity  of  a  particle  was  positive,  then  it  is  indicating  then  it  is  travelling  in  the  positive  direction  and  if  it’s  acceleration  is  negative,  then  it  shows  that  the  particle  is  accelerating  in  the  negative  direction,  which  is  in  the  opposite  direction  of  the  particles  moment.  So  essentially,  the  negative  sign  indicates  deceleration,  which  is  the  rate  at  which  the  velocity  decreases  per  unit  time,  which  is  why  the  particle  would  slow  down  when  it’s  acceleration  and  velocity  have  opposite  signs  as  the  particle  is  travelling  in  the  opposite  direction  at  which  the  particle  is  accelerating.    Based  off  of  this  premise,  I  believe  that  I  will  be  able  to  prove  that  the  polynomial  model  is  actually  incorrect  and  was  attributed  to  several  flaws  in  the  experiment,  which  will  be  explained  below.    To  do  this,  I  believe  that  if  I  take  the  acceleration  of  skateboard  for  different  wheel  diameters,  by  integrating  the  acceleration  with  respect  to  time  and  determine  its  velocity,  I  will  be  able  to  look  at  the  signs  for  the  acceleration  and  the  integrated  velocity  and  determine  if  the  skateboard  is  actually  slowing  down  or  speeding  up.    The  significance  of  doing  this  is  because  initially,  I  had  believed  that  the  quadratic  model  suggested  that  the  skateboard  was  in  fact  slowing  down  whenever  it  had  negative  acceleration.  However,  I  believe  that  if  I  can  prove  that  the  skateboard  is  actually  speeding  up,  then  I  can  disprove  the  quadratic  model.  If  corret,  in  the  end  I  

  27  

will  explain  what  caused  the  quadratic  model  to  have  the  larger  R2  value  compared  to  the  linear  model.      From  Table  6.0,  the  following  values  were  obtained  and  will  be  used  to  preform  this  calculation  as  shown  in  Table  7.0.      Table  7.0    Diameter  (mm)  

Acceleration  (ms-­‐2)    

47   -­‐23.6242  

51   6.6022  

54   13.8412  

55   13.3150  

61   -­‐20.70398  

 I  have  taken  great  care  in  choosing  the  values  that  I  will  integrate.  The  values  that  I  have  chosen  are  accelerations  that  have  a  corresponding  diameter  less  than  D1  in  the  negative  Y  quadrant,  less  than  the  threshold  value  in  the  positive  Y-­‐Quadrant,  the  threshold  diameter  value  (54  mm),  a  diameter  that  has  an  acceleration  greater  than  the  threshold  value  in  the  Y-­‐Quadrant,  and  an  acceleration  with  a  corresponding  diameter  greater  than  D2.  I  believe  that  if  the  integrated  velocity  for  each  of  these  accelerations  has  the  same  sign  as  it’s  acceleration,  then  I  would  have  proved  that  the  acceleration  of  the  skateboard  wheel  is  proportional  to  wheel  size.  This  is  because  if  both  velocities  and  accelerations  have  the  same  sign,  then  it  indicates  that  the  particle  is  speeding  up.  By  choosing  values  from  all  quadrants,  I  hope  to  show  that  the  particle  continues  to  speed  up  with  increasing  wheel  size.  If  this  is  shown  to  be  the  case,  then  it  means  that  the  quadratic  model  was  incorrect,  there  is  no  threshold,  and  there  are  no  two  values  at  which  the  particle  is  moving  at  zero  acceleration.    So  for  the  following  calculations,  the  domain  for  the  time  for  each  velocity  will  be  from  0-­‐5  seconds.    This  domain  was  chosen  arbitrarily.  It  does  not  matter  what  the  time  domain  for  the  velocity  is  so  long  as  it  remains  constant  for  each  calculation.  The  purpose  of  using  a  definite  integral  was  to  eliminate  the  need  to  calculate  a  value  for  the  constant  of  integration.    These  calculations  will  be  shown  below:    The  Exploration:  Integrating  to  find  the  Velocity  for  the  47-­‐Skateboard:      When  the  diameter  was  47  mm,  its  acceleration  was  extrapolated  to  be  (-­‐)23.6242  ms-­‐2.  The  integration  of  this  function  to  determine  the  velocity  will  be  shown  below:  

  28  

 

𝑉 𝑇5 − 𝑇0 = 𝑎 𝑡 𝑑𝑡 = −23.6242 𝑑𝑡 = −23.6242 5 − −23.6242 05

0

5

0  

= −118.121  The  velocity  when  the  diameter  of  the  skateboard’s  wheel  was  47  mm  was  integrated  to  be  (-­‐)118.121  ms-­‐1.  The  acceleration  was  also  (-­‐)23.6242.  Since  both  functions  have  the  same  sign,  it  can  be  deduced  that  the  particle’s  speed  is  increasing  at  this  point.    This  is  the  velocity  before  D1.    The  same  method  seen  above  will  be  carried  for  the  remaining  accelerations.    The  Exploration:  Integrating  to  find  the  Velocity  of  the  51-­‐Skateboard:      When  the  diameter  of  the  wheel  was  51mm,  it’s  acceleration  was  found  to  be  6.6022  ms-­‐2.    The  integration  of  this  function  to  determine  the  velocity  will  be  shown  below:    

𝑉 𝑇! − 𝑇! = 𝑎 𝑡 𝑑𝑡 = 6.6022 𝑑𝑡 = 6.6022(5) − 6.6022 0!

!

!

!  

= 33.011  The  velocity  when  the  diameter  of  the  skateboard’s  wheel  was  51  mm  was  integrated  to  be  (+)  33.011ms-­‐1.  The  acceleration  was  also  (+)  6.6022  ms-­‐2.  Since  both  functions  have  the  same  sign,  it  can  be  deduced  that  the  particle’s  speed  is  increasing  at  this  point.    This  is  the  velocity  after  D1  and  before  the  threshold.        The  Exploration:  Integrating  to  find  the  Velocity  of  the  54-­‐Skateboard:    When  the  diameter  of  the  wheel  was  54  mm,  its  acceleration  was  found  to  be  13.8412  ms-­‐2.    The  integration  of  this  function  to  determine  the  velocity  will  be  shown  below:    

𝑉 𝑇! − 𝑇! = 𝑎 𝑡 𝑑𝑡 = 13.8412 𝑑𝑡 = 13.8412(5) − 6.6022 0!

!

!

!  

= 69.206  The  velocity  when  the  diameter  of  the  skateboard’s  wheel  was  54  mm  was  integrated  to  be  (+)  69.206  ms-­‐1.  The  acceleration  was  also  (+)13.8412  ms-­‐2.  Since  both  functions  have  the  same  sign,  it  can  be  deduced  that  the  particle’s  speed  is  increasing  at  this  point.    This  is  the  value  for  the  velocity  at  the  threshold.    

  29  

 The  Exploration:  Integrating  to  find  the  Velocity  of  the  55-­‐Skateboard:    When  the  diameter  of  the  wheel  was  55  mm,  its  acceleration  was  found  to  be  13.8412  ms-­‐2.    The  integration  of  this  function  to  determine  the  velocity  will  be  shown  below:    

𝑉 𝑇! − 𝑇! = 𝑎 𝑡 𝑑𝑡 = 13.3150 𝑑𝑡 = 13.3150(5) − 13.3150 0!

!

!

!  

= 66.575  The  velocity  when  the  diameter  of  the  skateboard  was  55  mm  was  integrated  to  be  (+)  66.575  ms-­‐1.  The  acceleration  was  also  (+)13.3150  ms-­‐2.  Since  both  functions  have  the  same  sign,  it  can  be  deduced  that  the  particle’s  speed  is  increasing  at  this  point.    This  is  the  velocity  after  the  threshold  but  before  D2.    The  Exploration:  Integrating  to  find  the  Velocity  of  the  61-­‐Skateboard:    When  the  diameter  of  the  wheel  was  61  mm,  its  acceleration  was  found  to  be    -­‐20.7038  ms-­‐2.    The  integration  of  this  function  to  determine  the  velocity  will  be  shown  below:    

𝑉 𝑇! − 𝑇! = 𝑎 𝑡 𝑑𝑡 = −20.7038 𝑑𝑡 = −20.7038(5) — 20.7038 0!

!

!

!  

= −103.519  The  velocity  when  the  diameter  of  the  skateboard  was  61  mm  was  integrated  to  be    (-­‐)  103.519  ms-­‐1.  The  acceleration  was  also  (-­‐)  20.7038  ms-­‐2.  Since  both  functions  have  the  same  sign,  it  can  be  deduced  that  the  particle’s  speed  is  increasing  at  this  point.    This  is  the  velocity  after  D2.    Just  to  summarize  the  calculated  values:  

• When  the  diameter  was  47mm,  it’s  velocity  between  0  and  5  seconds  was                (-­‐)118.121  ms-­‐1  and  it’s  acceleration  was  (-­‐)23.624  ms-­‐2.  This  was  the  value  before  D1.  

• When  the  diameter  was  51  mm,  it’s  velocity  between  0  and  5  seconds  was  (+)33.011  ms-­‐1  and  it’s  acceleration  was  (+)6.6022  ms-­‐2.  This  was  the  value  after  D1  and  before  the  threshold.  

• When  the  diameter  was  54  mm,  it’s  velocity  between  0  and  5  seconds  was  (+)69.206  ms-­‐1  and  it’s  acceleration  was    (+)13.8412  ms-­‐2.  This  was  the  value  at  the  threshold.  

• When  the  diameter  was  55  mm,  the  skateboard’s  velocity  was  (+)66.575  ms-­‐1  and  it’s  acceleration  was  (+)13.3150  ms-­‐2.  This  was  the  value  after  the  threshold  but  before  D2.  

  30  

• Finally,  when  the  diameter  was  61  mm,  it’s  velocity  was  calculated  to  be    (-­‐)  103.519  ms-­‐1  and  it’s  acceleration  was  (-­‐)  20.7038  ms-­‐2.  This  was  the  value  after  D2.  

         Conclusion:  Final  Results    From  the  calculations  made  above,  it  is  shown  that  as  the  diameter  of  the  wheel  increases,  the  skateboard  continues  to  speed  up  despite  having  a  negative  acceleration.  The  fact  that  the  skateboard  is  speeding  up  for  diameters  even  after  the  threshold  diameter  size  negates  the  previous  belief  that  the  skateboard  was  slowing  down  as  previously  inferred  by  the  quadratic  function  that  plotted  the  acceleration  of  the  skateboard  as  a  function  of  it’s  wheel  diameter.    The  belief  that  the  skateboard  slows  down  passed  the  threshold  value  was  a  problem  on  my  behalf  regarding  the  concepts  of  acceleration.  By  showing  that  the  skateboard  is  speeding  up  as  the  diameter  increases,  I  believe  that  this  is  definite  proof  for  the  authenticity  of  the  linear  model  that  was  proposed  in  Figure  10.0  which  suggests  that  as  the  diameter  increases,  so  will  the  average  acceleration.    The  main  issue  that  I  have  with  the  quadratic  model  is  the  suggestion  of  two  wheel  diameters  at  which  there  will  be  no  acceleration.    As  we  have  shown  that  despite    having  a  negative  acceleration,  the  skateboard  is  increasing  in  speed,  I  believe  that  this  shows  that  the  linear  model  is  an  accurate  depiction  of  the  relationship  between  the  diameter  of  the  skateboard  wheel  and  its  acceleration.    With  this  new  model,  there  is  no  maximum  diameter  or  threshold  value  that  can  be  calculated  seeing  as  it  is  a  linear  curve.        

𝑎 𝐷 = 1.6782𝑥 − 76.54  𝑎 𝐷 ! = 1.6782  

 From  the  calculation  above,  we  see  that  if  we  take  the  first  derivative  of  our  linear  function,  we  lose  the  D  variable  meaning  we  cannot  equate  the  equation  to  zero  and  determine  a  maximum  or  minimum  point.  This  shows  that  there  are  no  maximum  or  minimum  points  for  this  model  suggesting  that  if  we  increase  the  diameter  of  the  skateboard,  we  should  get  an  increase  it’s  acceleration  as  well.    Based  on  the  calculations  above,  it  can  be  deduced  that  although  the  Polynomial/Quadratic  function  had  given  a  perfect  R2  value  of  1,  it  can  be  concluded  that  this  is  not  an  accurate  model  for  depicting  the  relationship  between  the  acceleration  of  a  skateboard  and  the  diameter  of  it’s  wheels.  Instead,  it  can  be  concluded  that  the  more  appropriate  model  is  the  linear  model  which  has  an  equation  of  a(D)=  1.6782D  -­‐76.547  with  an  R2  value  of  0.93993.  Therefore,  based  off  of  this  premise,  we  can  conclude  that  the  larger  the  diameter  of  a  skateboard  wheel,  

  31  

the  faster  the  skateboard  will  go.  This  claim  was  backed  up  by  both  the  experimental  results  and  the  proof  put  forth  before.              Conclusion:  How  could  this  Exploration  Have  been  Improved?      One  of  the  biggest  pitfalls  of  this  exploration  was  the  fact  that  the  polynomial  function  for  the  average  acceleration  as  a  function  of  the  diameter  of  the  skateboard  wheel  had  given  a  perfect  R2  value  suggesting  a  perfect  correlation.  However,  as  stated  before,  this  would  have  been  problematic  as  it  suggested  a  supposed  maximum  acceleration  a  skateboard  could  travel  at  while  suggesting  certain  diameters  of  the  wheel  for  which  the  skateboard  would  not  accelerate  at  all.        I  believe  that  the  data  in  itself  was  flawed  and  did  not  have  a  wide  enough  range  which  meant  that  small  anomalies  in  preforming  the  experiment  would  have  significant  effects  on  the  results.      The  fact  that  only  a  small  range  of  diameters  was  used  really  hindered  the  accuracy  of  this  experiment.  In  this  experiment  only  three  different  diameters  were  used  (52,  53,  and  54  mm)  that  were  all  within  close  proximity  of  one  another.  This  meant  that  there  was  both  limited  data  available  to  really  test  how  the  diameter  wheel  size  affected  acceleration  while  at  the  same  time,  made  it  necessary  to  extrapolate  data  and  create  potential  possible  accelerations  for  varying  diameters,  all  from  limited  data.  Since  only  a  small  range  of  data  was  used,  it  is  very  possible  that  the  trend  proposed  in  the  conclusion  could  only  apply  to  skateboard  wheels  between  52-­‐54  mm.  Had  other  wheel  diameters  been  used  in  the  40’s  or  even  in  the  60’s,  we  would  have  had  sufficient  data  to  create  an  accurate  model  for  the  relationship  between  the  wheel’s  diameter  and  the  skateboard’s  acceleration.    In  real  life,  we  see  skateboard  wheels  with  diameters  greater  than  70  mm  or  even  90  mm.  The  fact  that  this  experiment  was  constrained  only  to  diameters  in  the  50s  severely  limits  the  accuracy  of  the  model  that  we  have  proposed  above    One  of  my  biggest  issues  with  this  experiment  and  the  linear  model  is  the  fact  that  it  suggests  that  the  acceleration  would  increase  infinitely  as  the  diameter  increases  however,  realistically,  we  don’t  see  skateboard  wheels  that  are  1  meter  in  diameter  or  even  greater.    There  is  definitely  a  limit  as  to  what  size  a  wheel  can  be  in  order  to  experience  maximum  acceleration.      Ultimately,  being  constrained  to  a  small  range  and  having  limited  data  meant  that  any  errors  or  mistakes  made  while  carrying  out  the  experiment  would  significantly  affect  the  final  result.  

  32  

If  we  had  a  greater  range  of  wheel  diameters,  I  believe  that  at  one  point,  we  would  reach  a  limit  in  which  there  is  a  maximum  acceleration  that  no  increase  in  the  diameter  will  result  in  an  increase  in  acceleration.    I  believe  that  there  definitely  has  to  be  some  limit  for  the  diameter  of  the  wheel  to  ensure  maximum  speed.  I  think  theoretically  speaking,  the  greater  the  size  of  the  wheel,  the  faster  it  will  go  however  when  it  comes  to  practicalities,  skateboards  are  not  very  big  so  using  massive  wheels  that  are  a  foot  large  or  so  would  not  be  a  viable  way  to  increase  the  speed  of  the  skateboard  as  it  simply  just  would  not  fit  on  conventional  skateboards.    Beyond  this,  I  believe  that  there  were  significant  errors  in  the  data  collection  of  this  experiment  which  could  have  resulted  in  the  polynomial  function  having  the  large  R2  value.  This  can  be  shown  by  looking  at  the  average  of  the  standard  deviations  for  each  skateboard.      Reproduced  below  is  the  condensed  form  of  Table  1.0,  which  shows  the  position  of  the  skateboard  as  a  function  of  time  for  each  trial  for  the  52-­‐Skateboard:    

                 

 For  the  calculation  showing  how  the  standard  deviation  was  obtained,  positions  of  the  52-­‐Skateboard  when  the  time  was  0.267  seconds  will  be  used.    The  equation  for  Standard  Deviation  is:  

𝑆𝑡𝑎𝑛𝑑𝑎𝑟𝑑  𝐷𝑒𝑣𝑖𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 =(𝑥 − 𝑥)!

𝑛 − 1  

Where:  𝑋 = 𝑀𝑒𝑎𝑛  𝑃𝑜𝑠𝑖𝑡𝑖𝑜𝑛𝑠      

𝑁 = 𝑁𝑢𝑚𝑏𝑒𝑟  𝑜𝑓  𝑋  𝑣𝑎𝑙𝑢𝑒𝑠  𝑋 = 𝑃𝑜𝑠𝑖𝑡𝑖𝑜𝑛  𝑜𝑓  𝐵𝑎𝑙𝑙𝑜𝑜𝑛  𝑎𝑡  𝑡𝑖𝑚𝑒  (𝑡)  

 To  determine  the  mean  (𝑋),  the  following  equation  should  be  used:    

𝑀𝑒𝑎𝑛 =(𝑋! + 𝑋! + 𝑋!… )

𝑛  Where  X1  and  preceding  values  represent  a  specific  value  in  the  data  set.  In  this  case,  the  subscript  denotes  the  trial  number  and  the  value  of  X  is  the  corresponding  value  

Time%(s) Trial%1 Trial%2 Trial%3 Trial%4 Trial%5 Average Standard%Deviaton0.267 &430.801 &424.601 &429.985 &448.157 &457.771 &438.263 14.04730.283 &429.399 &423.444 &428.583 &447.075 &456.954 &437.091 14.24790.300 &427.035 &421.305 &426.928 &445.404 &457.011 &435.5366 15.06190.317 &425.339 &418.846 &424.87 &444.266 &455.918 &433.8478 15.60200.333 &422.994 &416.735 &422.296 &443.069 &455.595 &432.1378 16.48820.350 &421.038 &413.953 &419.912 &441.564 &454.948 &430.283 17.28670.367 &419.052 &411.067 &417.301 &439.25 &454.022 &428.1384 17.92260.383 &416.24 &408.131 &414.714 &437.158 &453.029 &425.8544 18.68750.400 &413.954 &404.575 &411.645 &434.932 &453.187 &423.6586 20.0107

Position%(cm)Table  1.0  

  33  

for  the  position  at  the  designated  time  and  N  denotes  the  number  of  values  in  the  data  set.    The  calculation  for  the  mean  is  shown  below:  

𝑀𝑒𝑎𝑛 =( − 430.801 + − 424.601 + − 429.985 + − 448.157 + − 457.771)

5  

=-­‐438.263    After  calculating  the  mean,  the  standard  deviation  for  the  position  of  the  skateboard  at  0.267  seconds  can  be  obtained.  This  calculation  is  shown  below.    𝑆𝑡𝑎𝑛𝑑𝑎𝑟𝑑  𝐷𝑒𝑣𝑖𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛

=(430.801 − (−)438.263)2 + (424.601 − (−)438.263)2 + (429.985 − (−)438.263)2 + (448.157 − (−)438.263)2 + (457.771 − (— )438.263)2  

5 − 1  

= 14.0473    This  same  calculation  was  preformed  for  each  position  value  as  a  function  of  time  for  all  the  values  for  the  52-­‐Skateboard,  53-­‐Skateobard,  and  54-­‐Skateboard  to  obtain  the  standard  deviation.  Each  respective  Standard  Deviation  can  be  seen  in  Tables  1.0,  2.0,  and  3.0  and  in  the  appendix.      To  determine  if  there  was  an  error  or  mistake  in  preforming  the  experiment,  by  taking  the  average  of  all  the  standard  deviations  for  each  respective  skateboard,  we  can  see  which  skateboard’s  data  had  the  largest  range  of  values  which  would  indicate  a  mistake  in  the  procedure  of  the  experiment.      The  Average  Standard  Deviations  for  each  Skateboard  diameter  are  shown  below:    Table  8.0      

Diameter  (mm)   52   53   54  Average  Standard  Deviation     36.90879975   35.06270332   69.47102138      Each  standard  deviation  was  calculated  in  the  same  way  that  was  shown  above  and  the  average  was  calculated  by  taking  the  sum  of  all  the  standard  deviations  for  each  wheel  diameter  and  dividing  it  by  the  number  of  values  in  the  series.  These  values  for  the  standard  deviations  were  obtained  from  the  complete  raw  data  tables  for  the  52-­‐Skateboard,  53-­‐Skateboard,  and  54-­‐Skateboard  which  is  shown  in  Appendix  A,  B,  and  C,  respectively.    Based  off  of  the  results  from  Table  8.0,  it  is  seen  that  the  54-­‐Skateboard  had  the  largest  range  of  values  as  noted  by  having  the  largest  average  standard  deviation.    It  is  clear  that  there  must  have  been  some  anomaly  in  the  experiment  because  by  taking  a  look  at  Table  8.0,  in  both  the  52-­‐Skateboard  and  53-­‐Skateboard  the  average  standard  deviation  was  well  within  the  same  range  of  one  another.  The  large  jump  in  

  34  

average  standard  deviation  values  shown  in  the  54-­‐Skateboard  shows  that  there  must  have  been  some  problems  in  the  actual  experiment.    This  could  have  been  attributed  to  only  taking  the  X-­‐Component  of  the  displacement.  It  is  possible  that  as  the  skateboard  was  making  it’s  descent,  because  it  was  moving  so  fast,  it  went  out  of  control  and  slowed  down.      As  stated  in  the  proof,  the  greater  the  diameter  of  the  wheel,  the  more  distance  it  should  cover  in  a  fixed  amount  of  time  therefore  it  should  have  a  greater  velocity.    This  could  be  why  the  quadratic  model  better  fit  the  data.  If  we  were  to  go  by  the  assumption  that  the  greater  the  diameter,  the  faster  the  skateboard,  then  it  seems  plausible  that  the  large  velocity  of  the  skateboard  could  have  resulted  in  the  skateboard  drastically  losing  control  if  it  were  to  hit  a  crack  in  the  ground  or  even  a  pebble.  This  would  ultimately  affect  the  value  of  the  X-­‐Component  drastically  as  the  skateboard’s  path  of  descent  changed  and  started  to  move  in  the  Y-­‐direction.  This  could  be  why  the  average  acceleration  for  the  54-­‐Skateboard  was  less  than  the  average  acceleration  for  the  53-­‐Skateboard  which  is  why,  when  the  Acceleration  was  plotted  as  a  function  of  diameter,  the  quadratic  trendline  was  better  able  to  model  the  data-­‐  because  the  54-­‐skateboard  had  spun  out  of  control  into  the  Y-­‐Direction.  This  meant  that  the  skateboard  would  take  longer  to  complete  the  descent  down  the  inclined  plane  which  is  why  the  acceleration  for  the  54-­‐Skateboard  was  calculated  to  be  lower  than  that  of  the  53-­‐Skateboard.          The  Conclusion:  Final  Concluding  Remarks:    Despite  several  key  faults  in  the  actual  experiment  and  some  doubt  regarding  the  legitimacy  of  the  final  results  and  equation,  I  believe  the  information  garnered  through  this  investigation  can  be  of  utmost  importance.  By  understanding  how  the  diameter  of  a  skateboard  wheel  influences  the  skateboard’s  acceleration,  as  stated  before,  riders  of  all  levels  can  make  better  buying  choices  on  how  to  maximize  the  benefit  from  their  product,  parents  can  ensure  that  their  kids  are  riding  as  safely  and  as  slowly  as  possible,  and  skateboard  manufacturers  can  use  this  information  in  creating  newer  wheels  that  are  either  faster  with  larger  diameters,  or  safer  and  slower  with  smaller  diameters.  Beyond  the  realm  of  skateboarding,    the  principle  of  increasing  the  diameter  of  a  wheel  to  increase  acceleration  can  be  applied  to  the  automobile  industry  as  well.  Sports  car  manufactures  such  as  Ferrari  can  use  this  information  to  create  wheels  that  could  allow  their  cars  to  go  faster.    For  anything  that  involves  using  wheels  for  motion,  speed  and  safety  is  often  the  first  consideration.  So  whether  it’s  for  sports  or  for  transport,  the  information  obtained  through  this  experiment  can  be  an  incredible  asset.    Word  Count:  10,117    

  35  

Works Cited

Cox, Elena. "What Is Friction? - Definition, Formula & Forces." Education Portal. N.p.,

n.d. Web. 22 Nov. 2014. <http://education-portal.com/academy/lesson/what-is-

friction-definition-formula-forces.html#lesson>.  

"Guide for Texas Instruments TI-83, TI-83 Plus, or TI-84 Plus Graphing Calculator."

Houghton Mifflin Company, n.d. Web. 21 Nov. 2014.

<http://college.cengage.com/mathematics/latorre/calculus_concepts/4e/assets/st

udents/gcp/latorre_4e_grcalcguide.pdf>.  

"Newton's Second Law." The Physics Classroom. The Physics Classroom, n.d. Web. 21

Nov. 2014. <http://www.physicsclassroom.com/class/newtlaws/Lesson-

3/Newton-s-Second-Law>.  

                                                 

Appendices  

  36  

 Appendix  A:    Full  Data  Table  for  the  52-­‐Skateboard:  

                   

  37  

Appendix  B:  Full  Data  Table  for  the  53-­‐Skateboard:    

                             

  38  

Appendix  C:  Full  Data  Table  for  the  54-­‐Skateboard