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

20786. Системы реагентного хозяйства и «чистого» конденсата 361 KB
  Целевая установка: В результате изучения материала лекции студенты должны: а знать: назначение состав принцип действия и основы эксплуатации систем боросодержащей воды и борного концентрата; назначение состав принцип действия и основы эксплуатации узла реагентов реакторного отделения ТВ20; назначение состав принцип действия и основы эксплуатации системы чистого конденсата дистиллята. Назначение состав принцип действия и основы...
20787. Организация ВХР 1 контура 486 KB
  Целевая установка: В результате изучения материала лекции студенты должны: а знать: назначение ведения ВХР 1 контура; назначение средств обеспечения ВХР 1 контура; нормы качества теплоносителя 1 контура при работе энергоблока на энергетическом уровне мощности; нормы качества подпиточной воды воды подаваемой на уплотнения ГЦН и растворов хим.реагентов; ограничения по эксплуатации РУ при отклонении нормируемых показателей; характерные причины отклонения ВХР 1 контура и методы их устранения; диагностические...
20788. Вводная лекция по дисциплине «Водный режим контуров АЭС» 117.5 KB
  Основные понятия физики и химии воды. Виды и показатели качества воды. Выводы по лекции.
20789. Подготовка воды для заполнения и подпитки контуров 302 KB
  Целевая установка: В результате изучения материала лекции студенты должны: а знать: технологию предварительной очистки природных вод; основные методы опреснения и обессоливания воды; использование очистки воды методом дистилляции на АЭС; принципы ионного обмена между смолами и водными растворами; основные показатели качества ионитов; основные методы очистки воды от растворенных газов применяемых на АЭС;...
20790. Работа с приложением Ansys 3.4 MB
  Цель работы – Придумать и реализовать 2 проекта при помощи приложения Ansys, предоставить развернутое описание своих действий в помощь те, кто будет заниматься этим в дальнейшем, основываясь на достигнутых мною результатах. В этой работе мы рассмотрим общие сведения об Ansys и его возможностях, а так же пронаблюдаем процесс создания модели, задания различных данных и работы с получившимися результатами на примере двух несложных проектов.
20791. Проект мероприятий по совершенствованию системы сбыта предприятия (на примере ООО «НАРМИ», г. Александровск) 849 KB
  В результате анализа основных технико-экономических показателей деятельности ресторана «НАРМИ» в прогнозном периоде по сравнению с отчетным была выявлена экономическая эффективность внедрения как всего комплекса предложенных мероприятий, так и отдельных направлений.
20792. Юридичні особи в міжнародному праві 159 KB
  Обґрунтування критеріїв визначення статусу юридичних осіб, порядку їх утворення, основних закономірностей функціонування в різних країнах світу, висвітлення проблем національності юридичних осіб; показати їхню важливість та одночасно принципи формування у сучасному світі.
20793. Микропроцессоры (МП) 88.5 KB
  Закон функционирования управляющего автомата УА может быть задан двумя способами: в виде жесткой логики автомат Мили и автомат Мура; в виде микропрограмм закодированных определенным образом в виде микрокоманд. Учитывая что микроразрядность ОБ может достигать нескольких десятков разрядов а число устройств 816 автоматов то число состояний такого автомата может достигать астрономических цифр и описать их в виде графа автоматов Мили или Мура не представляется возможным. Тема: Представление закона функционирования микропроцессора...
20794. Мотивація персоналу підприємства побутового обслуговування (на прикладі ТОВ «Clean group») 540 KB
  Розглянути сутність мотивації як елементу управління персоналом; дослідити сучасні методи та інструментарій мотивації праці в управлінні; проаналізувати особливості мотивації персоналу на підприємствах сфери послуг; дослідити основні тенденції розвитку сфери послуг в Україні; проаналізувати діяльність підприємства, стан управління персоналом; сформувати пропозиції щодо покращення стану системи мотивації.