11906

МАЯТНИК ОБЕРБЕКА

Лабораторная работа

Физика

Лабораторная работа №4 МАЯТНИК ОБЕРБЕКА Цель работы: изучение основного закона динамики вращательного движения определение момента инерции системы грузов. Приборы и принадлежности: лабораторный модуль ЛКМ3 со стойкой и блоком стержень с отверстиями два круглых

Русский

2013-04-14

99 KB

338 чел.

Лабораторная работа №4

МАЯТНИК ОБЕРБЕКА

Цель работы: изучение основного закона динамики вращательного движения, определение момента инерции системы грузов.

Приборы и принадлежности: лабораторный модуль ЛКМ-3 со стойкой и блоком, стержень с отверстиями, два круглых груза, груз наборный, нить длиной 55 см с крючком (синяя), измерительная система ИСМ-1 (секундомер), пластиковый фиксатор.

Краткая теория

Основной   закон   динамики   вращательного   движения   твердого   тела относительно неподвижной оси

I β =М      (1)

связывает кинематическую характеристику движения - угловое ускорение β с динамическими

характеристиками    -     моментом силы    М и моментом инерции   Ι.

Угловое ускорение характеризует изменение угловой скорости со временем и направлено, как и момент силы, вдоль оси вращения.

Угловое ускорение связано с касательной составляющей линейного ускорения ах точки вращающегося тела

aτ = β r, (3)

где r - кратчайшее расстояние от этой точки до оси вращения.

Моментом силы в общем случае называют векторную величину

M=[r x F], (4)

где       F -   сила,    лежащая     в    плоскости,    перпендикулярной    оси вращения,

r - вектор, соединяющий точку на оси, относительно которой находится момент силы, с точкой приложения силы. В уравнении (1) М - сумма составляющих моментов сил вдоль направления оси вращения. 

Момент инерции I характеризует распределение массы в твердом теле относительно оси вращения и является мерой инертности вращающегося тела. Момент инерции равен сумме произведений элементарных масс Δm, на которые мысленно разбито тело, на квадрат их расстояний до оси вращения                                  I = ∑Δmi ri2 (5)

Выражая Δmi через плотность тела Δmi = ρΔVi ,  где ΔVi - элементарный объем тела, и переходя к пределу ΔVi → 0, получим

I=∫pr2dV. (6)

Формула (45) позволяет теоретически найти момент инерции любого тела, Например, момент инерции тонкого однородного стержня длиной и массой т. относительно оси, проходящей перпендикулярно стержню через его центр

I = ml 2/ 12

Теорема Штейнера устанавливает связь между моментом инерции Iс твердого тела относительно оси, проходящей через центр инерции, и моментом инерции относительно другой оси, параллельной первой

I = Iс + ma2 (7)

где а - расстояние между осями, т - масса тела.

В настоящей работе экспериментально находится момент инерции маятника Обербека (рис. 2). Он состоит из блока радиусом R, который может вращаться вокруг неподвижной горизонтальной оси. К блоку прикреплены симметрично относительно оси стержни, на каждом из которых могут свободно перемещаться грузы массами m1 что дает возможность изменять момент инерции маятника. Грузы m1 устанавливаются на одинаковом расстоянии от оси, так что центр инерции всей вращающейся части маятника находится на оси вращения.

На блок намотана нить, к концу которой прикреплен груз массой т.

Из закона динамики вращательного движения (1) следует:

I = M / β                                  (8)

Момент силы М, создающийся силой натяжения нити, исходя из (4) равен

M=TRsinα, (9)

где а - угол между вектором   Т и отрезком R на рис. 2, равный  90°;  sin α = 1.

Запишем второй закон Ньютона для поступательного движения груза m в проекции на направление ускорения   а

ma=mg-T                        (10)

В этой формуле сила натяжения нити T, действующая на груз, по модулю равна силе

натяжения нити, действующей на блок в формуле (9) (поэтому они обозначены   одинаково).   Это   справедливо,   если   массой   нити   можно  пренебречь по сравнению с массой груза т.

Из (9) и (10) получим

M = mR(g - a)                                             (11)

Тангенциальное (касательное) ускорение точек участков нити, намотанной на блок, и точек на ободе блока равны, если нет проскальзываний нити по блоку, и равны ускорению груза т, если нить нерастяжима.

Тогда из (3) следует

β = a/R                                                        (12)

Подставляя (11) и (12) в (8), получим    

 I = mR 2 (g – a) /a.            (13)

Из этой формулы следует, что ускорение а не зависит от времени, так как все остальные величины в этом уравнении постоянны. Значит движение маятника будет равноускоренным и при нулевой начальной скорости                                        Ф = 2h / t 2,         (14)

 

где h - путь, пройденный грузом т за время t.

В данной работе измеряется время одного полного оборота блока и за это время груз массой m пройдет путь

H = 2πR                                                 (15)

Подставив (14) и (15) в (13), получим формулу для вычисления момента инерции маятники    I =

mR2(gt2-4πR)   

 4πR

Момент инерции маятника Обербека будет изменяться при изменении расстояния r от оси вращения маятника до центров грузов массами m1, перемещаемых вдоль стержней.

Согласно теореме Штейнера (7)

I = Ic + 4m1r2                                                (17)

где Ic - момент инерции всей вращающейся части маятника при условии, что центры грузов  m1 находились бы на оси вращения.

Из (17) следует, что зависимость I от r2 - линейная.

В рассмотренной теории движения маятника Обербека не учитывались силы трения в подшипниках оси блока и сопротивление воздуха. Пренебрежение действием этих сил является главной причиной систематической  погрешности измерения момента инерции.

Описание установки

Рис. 1

Маятник Обербека монтируется на блоке 11, закрепленном на стойке 10 модуля ЛКМ-3 (рис. 1). К блоку радиусом 25 мм прикрепляют нить, к концу которой подвешивают наборный груз массой m1 = 100 - 200 г. На ось блока через среднее отверстие надевают стержень 12 и закрепляют его пластиковым фиксатором 13. Вращая стержень накручивают на блок нить и поднимают груз так чтобы он не касался стержня. При опускании груза нить приведет во вращательное движение стержень. После полного раскручивания нити стержень, продолжая вращательное движение, накрутит нить на блок и поднимет груз. При этом вращательное движение прекратится - система перейдет в начальное состояние. Время опускания и подъема груза (период колебаний маятника Обербека) зависит от многих параметров установки: длины нити, массы груза m1, момента инерции стержня и блока, радиуса блока (от сил трения, толщины и массы нити, которыми мы в данной работе пренебрегаем).

Порядок выполнения работы

Задание 1

Определение момента инерции стержня и блока

1. Подготовьте измерительную систему ИСМ-1 к работе: подключите датчик угла поворота  блока к разъему 1 на задней стенке прибора, переключатель 1 поставьте в положение "К1", переключатель 4 - в положение ":1", переключатель 5 - в положение "однокр", переключатель 8 -в положение "+" или "-" , переключатель 9 - в среднее положение. Включите питание модуля.

2. Закрепите конец нити на блоке так, чтобы нить не мешала креплению стержня и могла накручиваться на большой блок (R = 25 мм). Укрепите стержень на оси блока, пропустив ось блока через середину стержня, и зафиксируйте его пластиковым фиксатором.

3. Накрутите нить на блок и прикрепите наборный груз т1 к свободному концу нити.

4. Поверните блок 11 со стержнем 12 так, чтобы прорезь блока совпала с нулевым делением угловой шкалы и добейтесь срабатывания индикатора датчика угла поворота 3. Нажмите кнопку 7 "готов" и осторожно без толчка отпустите маятник, который под действием груза придет в движение. После одного полного оборота  датчик угла поворота блока выключится и на индикаторе появится значение времени одного поворота в секундах или миллисекундах в зависимости от положения переключателя 2. Время и массу груза занесите в табл. 1.

Таблица 1

m1

t

I

I-<I>

(I - <I>)2

среднее

сумма

5. Рассчитайте по формуле (1) суммарный момент инерции I стержня и блока

,                                           (1)

где т - масса груза, R - радиус блока, g - ускорение свободного падения.

6. Рассчитать абсолютную и относительную погрешности измерения момента инерции I системы по методу Стьюдента, как для прямых измерений. Результат записать в стандартном виде

I = (<I>± I) кгм2, = ... ;  при  = 0,95.

Задание 2

Измерение момента инерции маятника Обербека в зависимости от положения грузов на стержне

1. Закрепить на стержне 12 симметрично относительно оси вращения два круглых груза 14 (см. рис. 1). Занести в табл. 2 расстояние от оси вращения до центра грузов r, и массу наборного груза т1.

2. Измерить момент инерции системы так, как это описано в задании 1. Данные занести в табл. 2.

Таблица 2

m1

t

r

r2

I

3. Перемещая грузы 14 по стержню 12 повторить измерения момента инерции I для всех положений грузов (расстояние между отверстиями на стержне d = 20 мм).

4. Построить график зависимости момента инерции I от квадрата расстояния от оси вращения до центра грузов r2.

Контрольные вопросы

1. Динамические характеристики вращательного движения: момент силы - М, момент инерции - I, момент импульса - L.

2. Вывод основного уравнения динамики вращательного движения.

3. Вывод основной рабочей формулы (1).

4. Момент инерции частицы, стержня, диска. Теорема Штейнера.

5. Аналитический расчет момента инерции системы (масса грузов и стержня нанесены на телах, геометрические размеры тел измерить ученической линейкой).

6. Расчет периода колебаний маятника Обербека.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

13655. Главная цель капитала – не добыть как можно больше денег, а добиться, чтобы деньги вели к улучшению жизни 14.62 KB
  Эссе на тему: €œГлавная цель капитала – не добыть как можно больше денег а добиться чтобы деньги вели к улучшению жизни€ Генри ФордВ своем высказывании создатель первого в мире автомобиля Генри Форд затрагивает проблему главной задачи экономической сферы жизни общес
13656. Нажить много денег - храбрость; сохранить – мудрость, а умело расходовать - искусство 14.19 KB
  Нажить много денег храбрость; сохранить – мудрость а умело расходовать искусство. Я считаю что нажить много денег – это умение. Что же имел в виду автор изречения когда утверждал что это – храбрость Видимо то что нужно быть очень смелым человеком чтобы подвергнуть себ...
13657. Налоги – это деньги, взимаемые властью с части общества в интересах целого 14.44 KB
  Налоги – это деньги взимаемые властью с части общества в интересах целого.С. ДжонсонЯ полностью согласна с позицией автора т.к. налоги регулируют экономику и составляя значительную часть доходов госбюджета расходуются в интересах всего общества. Налоги – это необход...
13658. Монтень. Н. Не быть жадным - уже есть богатство, не расточительным - доход 14.26 KB
  Не быть жадным уже есть богатство не расточительным доход. М. Монтень На мой взгляд это высказывание сродни поговорке: Не тот богат у кого много денег а тот у кого меньше потребностей. О чем же эти высказывания в чем их суть Каждый человек сам для себя определяет бог...
13659. Торговля не разорила еще ни одного народа (Б. Франклин) 14.27 KB
  Торговля не разорила еще ни одного народа.Б. ФранклинАвтор хотел сказать что занятие торговой деятельностью полезно для общества это может привести к его процветанию. Я думаю что с этим стоит согласиться. Торговля развивалась с момента развития общественных отношен
13660. Цены и другие инструменты рынка 14.27 KB
  Цены и другие инструменты рынка регулируют распределение редких ресурсов в обществе ограничивая тем самым желания участников координируя их действия.Г. С. БеккерЧто означает цена и какие другие инструменты рынка имел в виду Беккер Цена это денежное выражение стоим...
13661. Алкоголизм дает больше опустошения, чем три исторических бича вместе взятых: голод, чума и война 15.45 KB
  Алкоголизм дает больше опустошения чем три исторических бича вместе взятых: голод чума и война. У. Гладстон Алкоголизм одна из проблем современного общества которая волнует педагогов и конечно же нас подрастающее поколение. У. Гладстон считает что алкоголи...
13662. Алкоголизм и преступление -это два явления общественной жизни, находящиеся в тесной связи друг с другом 14.11 KB
  Алкоголизм и преступление это два явления общественной жизни находящиеся в тесной связи друг с другомИ. МержевскийПоведение людей в обществе определяется прежде всего тем на какие ценности они равняются каких ценностей они придерживаются. Для стабильности и единс
13663. Берне Л. Без многого может обойтись человек, только не без человека 15.56 KB
  Без многого может обойтись человек только не без человека Л. Берне Я считаю что высказывание Людвига Берне немецкого публициста и писателя о том что без многого может обойтись человек только не без человека верно и сохраняет свою актуальность сегодня поскольку о