2714

Определение моментов инерции тел физического маятника

Лабораторная работа

Физика

Физический маятник Цель работы: познакомиться с методом определения моментов инерции тел. Приборы: исследуемое тело (пластина), кронштейн для подвешивания тела, секундомер, линейка, математический маятник. Сведения из теории. Физическим маятником...

Русский

2014-09-23

51.66 KB

24 чел.

Физический маятник

Цель работы: познакомиться с методом определения моментов инерции тел.

Приборы: исследуемое тело (пластина), кронштейн для подвешивания тела, секундомер, линейка, математический маятник.

Сведения из теории.

Физическим маятником (ФМ) называется твердое тело, которое может колебаться под действием силы тяжести вокруг горизонтальной оси (не проходящей через центр масс тела).

При колебании ФМ как бы вращается вокруг оси О (рис. 1). Следовательно, движение маятника подчиняется основному уравнению динамики вращательного движения:

   или   М = I ,        (1)

где М - момент силы тяжести относительно оси О; I - момент инерции маятника относительно той же оси; - угловое ускорение маятника.

Из рис 1 видно, что

М = - mgb Sin  ,           (2)

где: m - масса маятника;

       b Sin  - плечо силы тяжести mg;

       b - расстояние от точки подвеса О до    центра масс С.

Знак “-” означает, что вращающий момент М стремится уменьшить угол , характеризующий  положение маятника по отношению к равновесному состоянию. Более строго смысл знака “-” объясняется так: псевдовекторы момента сил и смещения от положения равновесия направлены в противоположные стороны (для ситуации, изображенной на рис. 1 первый направлен за плоскость чертежа, а второй - из этой плоскости на наблюдателя). Помня, что , и учитывая (1), уравнение (2) запишем в виде

                (3)

При малых отклонениях маятника (именно этот случай мы и будем иметь в виду) Sin   , а потому равенство (3) после деления на  I примет вид

                 (4)

Величина mgb/I, как сугубо положительная, может быть заменена квадратом некоторого числа:                           mgb / I  02                 (5)

Тогда уравнение (4) можно переписать как

                        (6)

Используя прямую подстановку, убеждаемся, что решением уравнения (3.6) является выражение

= 0 Cos (0t + ) .              (7)

Это свидетельствует о том, что ФМ совершает в этих условиях незатухающие  гармонические колебания с циклической частотой 0. 0 и  - постоянные (амплитуда и начальная фаза), зависящие от начальных условий.

Период колебаний ФМ

                (8)

I / mb имеет размерность длины. Эта величина обозначается через L и называется приведенной длиной ФМ:

L = I / mb                    (9)

Таким образом,

                      (10)

Сравнивая (10) с формулой для периода колебаний математического маятника T = , где l - длина математического маятника, видим, что приведенная длина ФМ - это длина такого математического маятника, у которого период колебаний совпадает с периодом колебаний данного ФМ. Легко заметить, что L > b. В самом деле, в соответствии с теоремой Штейнера I = Iс + mb2, где Ic - момент инерции маятника относительно оси, проходящей через центр масс. Следовательно, по выражению (9)

               (11)

откуда видно, что L>b.

Точку О1 (см. рис. 1), отстоящую от О на расстоянии L, называют точкой качаний.

Описание установки

и метода определения инерции тела

Исследуемое тело 1 представляет собой металлическую пластину с двумя вырезами (рис. 2). Этими вырезами тело подвешивается на опору - кронштейн 2 для организации колебаний. Чтобы уменьшить трение и износ детали точки подвеса О1 и О2 снабжены специальными подставками 3. На конце кронштейна может быть подвешен математический маятник 4, длину которого можно изменять.

В работе определяются моменты инерции I1 и I2 относительно осей О1 и О2. Метод определения моментов инерции основан на том, что период колебаний ФМ (пластина в данном случае играет роль физического маятника) связан с его моментом инерции относительно оси колебания (см. формулу (8)). Таким образом, измерив на опыте период колебаний маятника Т и расстояние b от точки подвеса до центра масс (см. рис. 1), зная массу m маятника и ускорение свободного падения g, можно вычислить момент инерции:

                 (12)

Практическая часть.

№№

Число

полн.

Колебания

а оси О1

Колебания на оси О2

n/n

колеб.

N

t1

Т1,i

t2

T2,i

(T2i - <T2>)

(T2i - <T2>)2

1

30

41

1,37

37

1,2

-0,04

0,0016

2

30

41

1,37

37

1,2

-0,04

0,0016

3

30

40

1,3

38

1,3

0,06

0,0036

4

30

40

1,3

37

1,2

-0,04

0,0016

5

30

40

1,3

38

1,3

0,06

0,0036

XXX

XXX

6,6

XXX

6,2

XXX

XXX

XXX

1,32

XXX

1,24

XXX

0,012

Другие         

данные         

b1  =3750,5 мм                               

m =4,1600,005 кг                  

L1 = м

b2  =2850,5 мм                     

g =9,810,005

L2  = м

1. Снимаем пластину с подвеса, измеряем линейкой расстояния b1 = O1C и b2 = O2C (см. рис. 2) и оцениваем ошибку b этих измерений. Результаты заносим в табл.1; сюда же вписываем данные о массе тела и ускорении свободного падения.

2. Подвешиваем маятник на ось О1, приводим его  в движение (  8о) и измеряем время t1 для 30 полных колебаний (N). Опыт повторяем 5 раз при одном и том же числе колебаний. Результаты заносим в таблицу.

3. Снимаем маятник и, подвешиваем его на ось О2 и проделываем то же, что и в п.2.

4. Вычисляем Т1 и Т2 для каждого из опытов и их средние значения <T1> и <T2>.

5. По формуле: вычисляем <I1> и <I2>.

6. Для момента инерции I2 вычисляем относительную I2  и абсолютную I2 погрешности (для I1 первую из них принимаем такой же).

Для этого:

а) подсчитываем Т2i - <Т2>, (T2i - <T2>)2, (cм.  табл.);

б) вычисляем абсолютную погрешность в измерении периода

колебаний

где n - число измерений; tпр - приборная погрешность секундомера; t,7 - коэффициент Стьюдента (определяется по таблице в зависимости от выбранной надежности  и n); Nчисло полных колебаний.

в) определяем относительную погрешность;

 

г) вычисляем абсолютную погрешность в определении I2 и I1:

I2 = I  <I2>=0,02*0,677=0,013 кг*м2;

I1 = I  <I1>=0,02*0,454=0,009 кг*м2;

Результаты:

I1 = 0,677  0,013 кг*м2

I2 = 0,454  0,009 кг*м2

при  =  0,95  ,    I =  0,5 %  .

8. Вычисляем приведенные длины L1 и L2  маятников по формуле

Вывод: выполняя эту лабораторную работу, я научился определять момент инерции.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

79272. Кадровое обеспечение системы управления персоналом 30.16 KB
  Под кадровым обеспечением системы управления персоналом понимается необходимый количественный и качественный состав работников кадровой службы организации. Работники службы управления персоналом должны: хорошо знать трудовое законодательство методические нормативные и другие материалы касающиеся работы с персоналом учета личного состава; основы педагогики социологии и психологии труда; передовой отечественный и зарубежный опыт в области управления персоналом; владеть современными методами оценки персонала профориентационной работы...
79273. Информационное и техническое обеспечение системы управления персоналом 18.5 KB
  Реализация кадровых задач напрямую зависит от качества и количества информации на основе которой будет принято то или иное решение. Информационное обеспечение включает в себя сбор анализ и хранение информации. Качество представленной информации зависит от критериев оценки информации т. Полпота информации заключается в том объеме который необходим и достаточен для принятия управленческого решения.
79274. Нормативно-методическое и правовое обеспечение системы управления персоналом 16.07 KB
  Нормативнометодическое обеспечение системы управления персоналом представляет собой обеспечение документами устанавливающими нормы управления правила и методы организации труда необходимыми для нормальной организации трудовых процессов ведения нормативного хозяйства системы управления. Нормативнометодические документы подразделяются на следующие группы: нормативносправочные определяют нормы времени управленческих действий задания на конкретный период времени инструкции вышестоящих организаций или органов власти;...
79275. Кадровая политика организации – основа формирования стратегии управления персоналом 20.81 KB
  Кадровая политика организации генеральное направление кадровой работы совокупность принципов методов форм организационного механизма по выработке целей и задач направленных на сохранение укрепление и развитие кадрового потенциала на создание квалифицированного и высокопроизводительного сплоченного коллектива способного своевременно реагировать на постоянно меняющиеся требования рынка с учетом стратегии развития организации. Назначение кадровой политики своевременно формулировать цели в соответствии со стратегией развития...
79276. Система стратегического управления персоналом организации 23.23 KB
  Система стратегического управления персоналом организации Кадровая политика предусматривает в первую очередь формирование стратегии управления персоналом организации. Цель стратегического управления персоналом обеспечить адекватное состоянию внешней и внутренней среды формирование человеческого капитала предприятия в расчете на долгосрочный период. Стратегическое управление персоналом направлено на решение следующих задач: 1 обеспечение организации необходимым трудовым потенциалом в соответствии со стратегией; 2 формирование внутренней...
79277. Стратегия управления персоналом организации и ее реализация 25.51 KB
  Стратегия управления персоналом организации и ее реализация Стратегическое управление это система менеджмента ориентирующаяся на человеческий капитал как основу компании гибко реагирующая на динамику изменений внешней среды проводящая своевременные изменения в организации позволяющие добиться конкурентных преимуществ через приближение своей деятельности к запросам покупателей что обеспечивает долгосрочное устойчивое развитие и достижение поставленных целей. Стратегическое управление персоналом это управление формированием...
79280. Маркетинг персонала 14.68 KB
  Маркетинг персонала это вид деятельности который направлен на выявление потребности в персонале а также удовлетворение этих потребностей то есть покрытие потребности организации в персонале. С одной стороны маркетинг персонала можно рассматривать как философию организации и стратегию управления человеческими ресурсами компании а с другой стороны маркетинг персонала это одна из функций кадровой службы организации. Однако маркетинг персонала подходит к вопросу определения и покрытия потребности в персонале с точки зрения рыночного...