2493

Проверка основного закона динамики вращения твердого тела с помощью маятника Обербека

Лабораторная работа

Физика

Математическая форма записи основных закономерностей для поступательного и вращательного движений остается неизменной.

Русский

2013-01-06

132.45 KB

37 чел.

РАБОТА № 4.

Проверка основного закона динамики вращения твердого тела с помощью маятника Обербека.

Оборудование: маятник Обербека, набор грузов, секундомер.

Краткая теория

Вращение твердого тела постоянной массы вокруг неподвижной оси описывается уравнением.

(1)

Здесь М - момент сил, действующих на тело, I- момент инерции тела, ω - угловая скорость. Это - основное уравнение динамики вращательного движения вокруг неподвижной оси.

Оно напоминает уравнение Ньютона для материальной точки.

(2)

Роль массы играет момент инерции I, роль скорости V - угловая скорость ω, роль силы - момент силы М, роль импульса - момент импульса .

Если момент внешних сил относительно оси вращения равен нулю, то момент импульса остается неизменным:

При М=0 , поэтому =const.

Для замкнутой системы имеет место закон сохранения момента импульса

(3)

Всякое твердое тело можно представить как совокупность большого числа частиц элементарного объема ΔVi с массой Δmi.

Моментом инерции тела относительно оси называется величина, являющаяся мерой инертности тела во вращательном движении вокруг этой оси и равная сумме произведений масс всех частиц тела на квадраты их расстояний от той же оси (рис. 1).

(4)

r1

r2

r1

r3

Δm1

Δm2

Δm3

Рис. 1

В общем случае моменты инерции находятся интегрированием по всему объему тела

(5)

Момент инерции одного и того же тела различен для разных осей вращения. Он зависит и от направления оси, и от места ее прохождения.

Пример:

  1.  момент инерции диска относительно оси, перпендикулярной к его плоскости, определяется формулой

r

m

O

O

(6)

  1.  момент инерции того же диска относительно оси, совпадающей c диаметром, вычисляется по формуле

r

m

O

(7)

O

Если момент инерции относительно оси, проходящей через центр масс тела, равен I0, то момент инерции относительно любой другой оси, параллельной первой, может быть вычислен на основании теоремы ГЮЙГЕНСА – ШТЕЙШЕРА.

, (8)

где aрасстояние между осями.

Пример:

Тело представляет собой тонкий длинный стержень с сечением любой формы. Максимальный поперечный размер стержня b«l. Момент инерция относительно оси, перпендикулярной к стержню и проходящей через его середину, равен

(9)

Найти момент инерции стержня относительно оси O'O'.

O

b

l

O

O

 

O

O

O

На основании теоремы Гюйгенса – Штейнера

Математическая форма записи основных закономерностей для поступательного и вращательного движений остается неизменной. Это удобно проиллюстрировать следующей таблицей.

Поступательное движение

Вращательное движение

Масса

m

Момент инерции

I

Скорость

V

Угловая скорость

ω

Количество движения

mV

Момент количества движения

I ω

Сила

F

Момент силы

Кинетическая энергия

Кинетическая энергия

Второй закон динамики

Второй закон динамики

Закон сохранения количества движения

Закон сохранения момента количества движения

Экспериментальная установка. Маятник Обербека состоит из четырех спиц, укрепленных на втулке под прямым углом друг к другу. На ту же втулку насажены два шкива различных диаметров: d1=18,6 мм, d2=35 мм. Момент инерции системы можно менять, передвигая грузы m1 вдоль спиц.

m1

m1

m1

m1

d1

d2

H

m

Момент силы создается грузом m, привязанным к нити H, которая навита на один из шкивов.

Задача: Экспериментально установить характер зависимости углового ускорения от момента силы и момента инерции.

Гипотеза: Ожидаемые результаты можно представить в виде двух зависимостей.

  1.  При I=const, β=f(M), β= 2. При М=const, β=f(I), β=

β

M

β

M

Обоснование методики эксперимента.

  1.  Момент инерции маятника может быть вычислен по формуле

(10)

где R - расстояние от центра масс грузов m1 до оси вращения, ρ - радиус цилиндра, l - образующая цилиндра.

  1.  Момент инерции маятника может быть найден из графика зависимости β=f(M), I=const.
  2.  График зависимости β=f(I) можно построить, предварительно получив серию графиков зависимости β=f(M) для разных моментов инерции.

β

M

Для построения зависимости β=f(M) нужно иметь не менее четырех экспериментальных точек, β=f(I) - не менее пяти точек.

  1.  Для решения задачи потребуются следующие динамические и кинематические закономерности:

  1.  Момент силы натяжения Т можно менять двояко: изменением радиуса шкива и изменением массы груза, висящего на нити.
  2.  Момент инерции маятника можно изменять, перемещая грузы на спицах.
  3.  Чтобы движение маятника и чашки с грузами было равноускоренным, необходимо предварительно установить маятник в положение безразличного равновесия.
  4.  Моменты сил трения могут быть оценены из графика и экспериментально по минимальному значению массы, при котором маятник начинает вращаться.

Задание:

  1.  Составьте план эксперимента и таблицу дли занесения результатов измерений.
  2.  Произведите измерения и постройте графики.
  3.  Оцените моменты сил трения по графикам и по минимальной массе на чашке маятника.
  4.  Находятся ли результаты эксперимента в согласии с формулой (10)? Как меняется относительная роль двух последних членов формулы (10) при изменении величины R? Существенно ли отличается поправка, определяемая этими членами, от ошибок измерений? Ответ на два последних вопроса лучше всего дать в виде графика зависимости величины от R2, где

.

  1.  Проанализируйте результаты измерений и сформулируйте выводы.

КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ (для самооценки готовности к защите)

  1.  Объясните, как получена формула (10)?
  2.  Как определить момент инерции крестовины, не снимая с нее грузов?
  3.  При выполнении серии экспериментов установлено, что угол наклона графика зависимости β=f(M) I=const уменьшается. Как перемещались грузы на спицах (приближалась к оси или удалялись от нее)?
  4.  Приведите примеры, иллюстрирующие зависимость момента инерции от распределения массы в теле относительно оси вращения.
  5.  Что общего и каковы различия между понятиями масса и момент инерции?

ЛИТЕРАТУРА

Сивухин Д.В. Общий курс физики. - T.1. - М: Наука, 1974

§§ 32, 33, 35, 36.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

35004. Необходимость, государственного регулирования экономики 26 KB
  Государство выправляя известное несовершенство рыночной системы берет на себя организацию предложения центральных денег и в обозримом будущем без государственной помощи не обойтись. Взаимодействия участников системы свободного предпринимательства многообразны по формам и социальным последствиям. Здесь основной задачей государства является создание правовой базы и общественной атмосферы для поддержания и облегчения функционирования рыночной системы перераспределение дохода н богатства и стабилизация экономики.
35005. Экономические функции, государства 31 KB
  Государство берет на себя задачу обеспечения правовой базою и некоторых важнейших услуг являющихся предпосылкой эффективного функционирования рыночной экономики. Государство устанавливает также законные правила игры регулирующие отношения между предприятиями поставщиками ресурсов и потребителями. Основные услуги обеспечиваемые государством включают применение полицейских сил для поддержания общественного порядка введение стандартов измерения веса и качества продуктов создание денежной системы облегчающей Обмен товаров и услуг....
35006. Методы воздействия государства на экономику 29.5 KB
  Государственное регулирование это форма целенаправленного воздействия государства на функционирующую экономическую систему с целью обеспечения пли поддержания определенных процессов изменений экономических явлений или их связей. В развитых странах есть два пути сокращения государственных расходов: уменьшение расточительства государственных органов и сужение сферы деятельности государства. Другая форма денежнокредитных отношений активное участие государства в операциях на рынке ценных бумаг с целью регулирования количества обращающихся...
35007. Роль, макроэкономических показателей 33.5 KB
  В мире успешно функционирует система национальных счетов СНС приспособленная к условиям рыночной экономики. В тот период она была связана прежде всего с обслуживанием интересов органов государственного уиравления а сегодня СНС проникла во все сферы экономической и общественнополитической жизни общества. В феврале 1993 года на очередной сессии Статистической комиссии ООН в НьюЙорке была принята новая усовершенствованная СНС. В конце 1992 года Верховный Совет Российской Федерации одобрил государственную программу перехода...
35008. ВНП и его расчет по доходам и расходам 35.5 KB
  При расчете ВНП учитывается только рыночная стоимость конечных продуктов и исключается промежуточная продукция. Поскольку в стоимость конечных продуктов входят все уже имевшие место промежуточные сделки покупка покрышек ткани производителями конечной продукции то отдельный учет промежуточной продукции означал бы двойной счет и завышенную оценку ВНП. Следует подчеркнуть одну из особенностей ВНП: он измеряет стоимость продукции произведенной факторами производства находящимися в собственности граждан данной страны даже если они живут...
35009. ВНП 31.5 KB
  Различают индекс потребительских цен ИПЦ и индекс цен ВНП или дефлятор ВНП который отражает не только цены потребительских товаров и услуг но и инвестиционных товаров. Дефлятор ВНП помогает проводить корректировку объема ВНП за определенное время измерять рост его реального объема по сравнению с номинальным. Номинальный ВНП измеряется в текущих ценах реальный в постоянных базовых ценах.
35010. Экономический цикл 26.5 KB
  Развитие экономики в режиме циклических колебаний прослеживается уже более 170 лет. Период движения экономики от одного кризиса к другому называется экономическим циклом. Вместе с тем подъем выводящий экономику на новый уровень в ее поступательном развитии заканчивается новой бездной краха Для сглаживания пиков экономической конъюнктуры государство использует разнообразные экономические инструментарии от льгот по налогообложению доходов до прямых вложений государственных средств в развитие экономики. Несмотря на определенные успехи...
35011. Безработица как макроэкономическая проблема 25.5 KB
  Отметим следующие виды безработицы: Фрикционная безработица порождена постоянным движением населения из одного региона в другой от профессии к профессии сменой этапов жизни учеба работа рождение ребенка и т. Технологическая безработица связана с внедрением в массовое производство достижений НТР. Структурная безработица вызвана масштабными структурными преобразованиями в экономике и невозможностью трудоустроиться изза несовпадения структуры спроса и предложения рабочей силы различной квалификации.
35012. Экономические издержки безработицы 28.5 KB
  По свидетельству американских специалистов потеря работы связана с психической травмой уступающей по уровню стресса только смерти ближайшего родственника или заключению в тюрьму. Это нормально если часть людей не работает потому что вынуждены поменять профессию или место работы. Меры государственной поддержки безработных сводятся к двум основным направлениям: социальной защите людей оставшихся без работы и содействие трудоустройству. Как правило его получают лица зарегистрированные на бирже труда имеющие стаж работы и вносившие...