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

97 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

77014. Административно-правовое регулирование в сфере экономической деятельности 26.83 KB
  Административно-правовое регулирование в сфере экономической деятельности. Экономика совокупность производственных отношений соответствующих данной ступени развития производительных сил общества господствующий способ производства организация структура и состояние хозяйственной жизни или какой-либо отрасли хозяйственной деятельности. В РФ гарантируются единство экономического пространства свободное перемещение товаров услуг и финансовых средств поддержка конкуренции свобода экономической деятельности признаются и защищаются равным...
77015. Административно-правовое регулирование в социально-культурной сфере 24.67 KB
  Государство охраняет труд и здоровье людей обеспечивает поддержку нетрудоспособных и пожилых граждан развивает систему социальных служб оказывающих медицинские образовательные культурные и другие услуги населению В сфере образования науки и культуры Правительство РФ обеспечивает проведение единой государственной политики в области образования определяет основные направления развития общего и профессионального образования развитие системы бесплатного образования разрабатывает и осуществляет меры государственной поддержки развития...
77016. Административно-правовое регулирование в административно-политической сфере 22.45 KB
  В эту подсистему входят Министерство иностранных дел РФ Министерство РФ по делам гражданской обороны чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий Министерство внутренних дел РФ Министерство обороны РФ и Министерство юстиции РФ в ведении трех последних имеются свои федеральные службы и агентства самостоятельные федеральные службы внешней разведки безопасности охраны контроля за оборотом наркотиков и фельдъегерская служба самостоятельные федеральные агентства Управление делами Президента РФ и Главное...
77017. Государственное управление как разновидность социального управления: понятие, содержание, задачи и функции, субъекты государственного управления 25.79 KB
  Государственное управление как разновидность социального управления: понятие содержание задачи и функции субъекты государственного управления. Государственное управление вид социального управления с функционированием которого связано формирование специальной отрасли права административного права. Также выделяют подвиды социального управления: 1 семейное социальное осуществляемое внутри семьи; 2 общественное социальное руководство отдельными организованными группами людей политическими партиями религиозными организациями и т....
77018. Разделение властей в Российской Федерации. Исполнительная власть: признаки, сущность, функции и механизм их осуществления 30.77 KB
  Исполнительная власть ветвь государственной власти представленная системой органов исполнительной власти осуществляющих государственное управление делами общества обеспечивая его поступательное развитие на основе законодательства РФ и самостоятельной реализации полномочий исполнительнораспорядительного характера.Первый признак исполнительной власти ее вторичность подчиненное положение зависимость от высшей власти.Второй признак исполнительной власти ее организующий характер. Их осуществляют органы исполнительной власти имеющие...
77019. Понятие и предмет административного права. Общественные отношения, регулируемые административным правом 24.55 KB
  Виды управленческих отношений регулируемых нормами административного права: По субъектному признаку: между соподчиненными субъектами государственного управления вертикальные отношения; между субъектами исполнительной власти не находящимися в состоянии соподчинения горизонтальные отношения; между субъектами исполнительной власти и исполнительными органами местного самоуправления; между субъектами исполнительной власти и общественными объединениями; между субъектами исполнительной власти и государственными служащими; между...
77020. Система и принципы административного права как отрасли российского права 29.07 KB
  Система и принципы административного права как отрасли российского права. Система отрасли административного права включающая в себя две основных подсистемы Общей и Особенной части которые в свою очередь можно подразделить и на меньшие подсистемы. Общая часть включает: 1 управление государственное управление исполнительные органы власти; 2 административное право как отрасль права научная отрасль знаний и учебная дисциплина; 3 субъекты административного права; 4 формы и методы осуществления деятельности органов исполнительной власти...
77021. Методы административного права 33.31 KB
  Метод административноправового регулирования это совокупность практических приемов способов и средств воздействия на общественные отношения составляющие предмет административно правового регулирования. Метод административноправового регулирования определяет: правовое положение сторон приемы и способы при помощи которых субъекты реализуют свои права и обязанности способы защиты сторонами своих прав судадм.порядок как возникают изменяются и прекращаются правоотношения защиты своих прав Признаки метода...
77022. Соотношение административного права со смежными отраслями российского права 27.14 KB
  Соотношение административного права со смежными отраслями российского права. Сущность административного права: является публичным правом призванным обеспечить публичный интерес регулируя отношения связанные с управлением общественными процессами; нормы административного права обеспечивают интересы общества государства коллективов права и интересы граждан и т. Взаимодействие с конституционным правом: конституционное право устанавливает исходные положения для всех отраслей права в том числе административного. На основании норм...