11274

Определение момента сил трения и момента инерции махового колеса

Лабораторная работа

Физика

Определение момента сил трения и момента инерции махового колеса. Указания содержат краткое описание рабочей установки и методики определения момента инерции махового колеса. Методические указания предназначены для студентов инженерных специальностей...

Русский

2013-04-05

266 KB

89 чел.

Определение момента сил трения и момента инерции махового колеса.

Указания содержат краткое описание рабочей установки и методики определения  момента инерции махового колеса.

Методические указания предназначены для студентов инженерных специальностей всех форм обучения при выполнении  лабораторного практикума по физике (раздел «Механика и молекулярная физика»).

Печатается по решению методической комиссии факультета

«Нанотехнологии и композиционные материалы»

Научный редактор проф., д.т.н. В.С. Кунаков

© Издательский центр ДГТУ, 2009

Лабораторная работа  №13

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОМЕНТА  СИЛ ТРЕНИЯ И МОМЕНТА  ИНЕРЦИИ  МАХОВОГО КОЛЕСА.

Цель работы:  Определение момента сил трения, момента инерции махового колеса и сравнение его с теоретическим расчётом.

  Оборудование: экспериментальная установка, секундомер,                 

                          штангенциркуль.

  1.  Теоретическая часть.

При изучении вращательного движения твердого тела используют понятие момента инерции. Моментом инерции твердого тела (либо системы тел) относительно некоторой оси называется физическая величина, равная сумме произведения масс материальных точек системы на квадрат их расстояний до оси вращения: ,

где - число материальных точек, составляющих систему тел.

В случае непрерывного распределения масс момент инерции может быть определен интегралом: , где интегрирование ведется по всему объёму тела. Величина - функция положения точки с координатами х, у и z.

Момент инерции зависит от массы тела и формы распределения массы относительно оси вращения.

Момент сил – физическая величина, определяемая векторным произведением радиуса-вектора , проведенного из начало отсчета в точку приложения силы на величину самой силы: ,

где - псевдовектор, его направление совпадает с направлением поступательного движения правого винта при его вращении от к. Модуль момента силы , где - плечо или кратчайшее расстояние между линией действия силы и точкой относительно, которой определяется момент силы.

  1.  Описание экспериментальной установки. Вывод формул   для определения момента сил трения и момента инерции махового колеса

 

Измерительная установка состоит из махового колеса (диска) 1 со шкивом 2, насаженного на вал 3, установленный на   шарикоподшипниках 4.  На шкив наматывается эластичная нить 5, к концу которой крепится груз 6, масса которого заданна. Положение груза фиксируют по отсчетной линейке 7.

1)  Если груз массы опускается с высоты , а поднимается на высоту , то можно сказать, что потенциальная энергия системы «маховое колесо-груз» убывает за счет работы среднего момента сил трения

.    (1)

Средний момент сил трения обусловлен трением оси в подшипниках, махового колеса о воздух. Потерей энергии на деформацию нити и трение груза о воздух пренебрегаем.

Работа среднего момента сил трения можно выразить через угловое перемещение колеса :

.                                  (2)

Угловое перемещение  равно сумме углового перемещение при опускании и подъёме груза :

,                                     (3)

Угловое перемещение колеса  связано с числом его оборотов соотношением . Число оборотов можно найти, зная диаметр шкива и длину нити наматываемой на шкив

и ,                                         (4)

С учетом (4)  и , а выражение (3) примет вид

.                                               (5)

Подставим (5) в (2) получим

                                (6)

Из (1) и (6) получаем выражение для вычисления момента сил трения:

.             (7)

2)  Если груз из верхней точки опускается в нижнюю, то потенциальная энергия груза () превращается в кинетическую энергию поступательного движения груза (), вращательного движения диска, шкива и вала  тел () и работу среднего момента сил трения

.                      (8)

Работа среднего момента сил трения:

              (9)

С учетом (9), уравнение (8) примет вид:

                          (10)

Учитывая, что линейная скорость движения груза  и  где  - диаметр шкива, на который наматывается нить,    - время движения груза до нижней точки, получим выражение для  угловой скорости шкива

.                                    (11)

Совместное решение (10) и (11) позволяет определить момент инерции махового колеса:

.     (12)

  1.  Порядок выполнения лабораторной работы:

ЗАДАНИЕ 1.  Определение среднего момента сил трения и момента инерции махового колеса.

  1.  Занести в таблицу 1 все известные величины и их абсолютные погрешности, указанные на установке: -масса груза,   - радиус диска, - плотность материала диска и - толщина диска.
  2.  С помощью штангенциркуля измерить диаметр шкива  (повторить 5 раз). Вычислить среднее значение  и занести в таблицу 1.
  3.  Включить в сеть шнур питания секундомера. Нажать на кнопку «сеть», расположенную на лицевой панели секундомера.
  4.  Вращая маховое колесо, зафиксировать груз в верхнем положении на высоте , указанной преподавателем, при этом надо следить  за тем, чтобы нить наматывалась виток к витку. Удерживать груз в верхнем положении. Занести в таблицу 1.
  5.  Нажать кнопку «сброс» и убедиться, что на табло установлены нули.
  6.  Груз отпустить и одновременно нажать кнопку «пуск» на секундомере, секундомер начинает отсчёт времени, а в момент пересечения грузом нижнего положения нажать кнопку «стоп».
  7.  Произвести отсчёт времени хода груза  по секундомеру. Одновременно измерить высоту подъёма груза . Повторить измерения 5 раз. Все значения  и  занести в таблицу 2.
  8.  Вычислить по формуле (7) средний момент сил трения (для среднего значения ).
  9.  Вычислить по формуле (12) момент инерции махового колеса  (для средних значений времени  и ).
  10.   Результаты вычислений по формулам (7) и (12) занести в таблицу 3.
  11.  Произвести статистическую обработку результатов измерения времени  и заполнить таблицу 2.
  12.  Вычислить относительные и абсолютные погрешности  по формулам (13) – (16) и занести в таблицу 3:

,(13)

;         (14)

,  (15)

 (16)

Таблица 1

Таблица 2

п/п

с

с

с2

с

-

с

с

с

1

2

3

4

5

Ср.

Таблица 3

ЗАДАНИЕ 2. Теоретический расчёт момента инерции махового колеса.

1. Момент инерции махового колеса  равен:

.

Моменты инерции шкива и вала не учитываем.

Рассчитать относительную погрешность по формуле .

Результат занести в таблицу 3.

2. Сравнить теоретическое и экспериментальное значения момента инерции и объяснить результат. Сделать вывод.

Контрольные вопросы

  1.  Что называется моментом инерции материальной точки?
  2.  Что называется моментом инерции твёрдого тела? От чего он    зависит?
  3.  Момент инерции тел простейшей формы относительно оси, проходящей через центр инерции. Физический смысл момента инерции.
  4.  Вывести формулу для определения среднего момента сил трения.
  5.  Вывести формулу для определения момента инерции махового колеса.
  6.  Записать основной закон динамики вращательного движения.
  7.  Теорема Штейнера.
  8.  Чем обусловлен момент сил трения в данной работе?

Рекомендуемая литература

  1.  Савельев И.В. Курс общей физики (т.1). М.: Наука, СПб.: Лань, 2006.
  2.  Трофимова Т.И. Курс физики. М.: Высш. Шк., 2004.
  3.  Справочное руководство по физике. Ч.1. Механика, молекулярная физика, электричество, магнетизм: Учеб.-метод. пособие. -Ростов н/Д: Издательский центр ДГТУ, 2008.

Составители:  Т.П. Жданова,  В.В. Илясов,  А.П. Кудря,  В.С. Кунаков

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОМЕНТА СИЛ ТРЕНИЯ И МОМЕНТА ИНЕРЦИИ МАХОВОГО КОЛЕСА.

Методические указания к лабораторной работе №13 по физике

(Раздел «Механика»)

Редактор А.А.Литвинова

В печать

Объём 0,7 усл.п.л. Офсет. Формат 60х84/16.

Бумага тип №3. Заказ №       . Тираж          . Цена           

Издательский центр ДГТУ

Адрес университета и полиграфического предприятия:

344010, г.Ростов-на-Дону, пл.Гагарина,1.


4

H

<Мтр>

h

2

6

5

3

Рис.1

М

D

7

m


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

39529. Технологическое обеспечение процесса заточки круглых протяжек 19.62 MB
  Передний угол является важным параметром при выборе диаметра шлифовального круга и угла наклона его относительно оси протяжки.1 но вследствие подъёма на зуб от черновых зубьев к калибрующим зубьям все больше удаляется от оси протяжки и это изменение должно учитываться при входе шлифовального круга в стружечную канавку при заточке протяжки в автоматическом цикле. при позиционировании имеют место: вертикальные смещения шлифовальной головки и упорки от привода колоны деление подъёма на зуб горизонтальные перемещения протяжки от привода...
39530. ЦИФРОВАЯ ФОТОГРАФИЯ 6.06 MB
  Историкокультурные предпосылки возникновения фотографии и становления фотоискусства c середины до конца XIX в.2 Эволюция искусства фотографии в ХХ веке17 РАЗДЕЛ 2.2 Современные направления в фотографии30 2. Новые тенденции и особенности актуальной японской фотографии.
39531. Информационные технологии. Формы и способы представления данных 1.02 MB
  Формы и способы представления данных. Информация – это интерпретация данных. 2 способа представления данных: в текстовом и числовом виде Текстовые данные воспринимаются передающими системами как текст записанный на какомлибо языке. Информационная технология – это система методов и способов сбора накопления хранения поиска обработки анализа выдачи данных информации и знаний на основе применения аппаратных и программных средств в соответствии с требованиями предъявляемыми пользователями.
39532. Математическое моделирование 282.2 KB
  Для оценки эффективности проекта срок окупаемости с учетом дисконтирования следует сопоставлять со сроком реализации проекта – длительностью расчетного периода. Норма дисконта определяется каждым участником проекта самостоятельно. Для эффективности проекта необходимо чтобы его ЧДД был положительным. Если ЧДД = 0 то проект находится на грани между эффективным и неэффективным что требует не отказа от проекта а более внимательного рассмотрения исходных данных заложенных в расчет эффективности.
39533. Приборы СВЧ и оптического диапазона 184 KB
  Требуется определить как надо изменить другой параметр чтобы получить ту же выходную мощность или как при этом изменится режим усилителя. Во сколько раз надо изменить мощность возбуждения чтобы выходная мощность осталась неизменной Решение: см. найдём отношение: Поскольку сначала до изменения параметров клистрон работал в оптимальном режиме то по графику определяем : Электронная мощность изменяется при изменении тока и напряжения . Но параметры не изменяются при условиях задачи а мощность возбуждения значит результат...
39534. Аудит показателей бухгалтерского баланса в соответствии с МСФО 451.5 KB
  Трудности возникают и из-за несовпадения временных периодов, а также методики учета по окончании периода. Это связано с тем, что и в той и другой системах предусмотрено применение различных отчетных периодов, различных способов закрытия счета и т. д. При этом приходится закрывать счета в каждой базе данных.
39535. Математическое программирование (ЛИНЕЙНОЕ ПРОГРАММИРОВАНИЕ) 2.42 MB
  Различные формы модели задачи линейного программирования . Формулировка основной задачи линейного программирования . Понятие допустимого решения области допустимых решений оптимального решения задачи линейного программирования . Переход от задачи минимизации целевой функции к задаче максимизации .
39536. Двухэтажный жилой дом с гаражом 212.13 KB
  Условия организации и осуществления строительства Жилое двухэтажное здание с гаражом находится в районе города Луганск который относится к 1 климатическому району.56 Кладка внутренних стен при высоте этажа до 4 м.03 V=FF Кладка перегородок толщиной в 1:2 кирпича при высоте этажа до 4 м.
39537. Экстраполяция трендов. Модель спрос-предложение 86.28 KB
  Постановочный этап: определяются конечные цели исследования моделирования набор участвующих в модели факторов и показателей и их роли. 3 Этап параметризации и спецификации модели: собственно моделирование то есть выбор вида модели функции регрессии в том числе состава и формы входящих в нее связей между переменными. 5 Этап идентификации модели: статистическое оценивание неизвестных параметров модели по собранным данным статистический анализ модели. 6 Этап верификации модели: сопоставление фактических реальных данных и...