36775

Определение момента инерции махового колеса методом колебаний

Лабораторная работа

Физика

Момент инерции тела I относительно произвольной оси равен сумме момента инерции I0 относительно оси, параллельной данной и проходящей через центр масс тела, и произведения массы тела т на квадрат расстояния а между осями

Русский

2013-09-23

161.5 KB

247 чел.

Московский государственный университет

путей сообщения РФ (МИИТ)

Кафедра «Физика-2»

Институт, группа       ИСУТЭ, АТС-141              К работе допущен____________________

                       (Дата, подпись преподавателя)

Студент                                  Бакин М.Е.                Работа выполнена____________________

                                     (ФИО студента)                   (Дата, подпись преподавателя)

Преподаватель                   Некрасов В.В.              Отчёт принят________________________                          (Дата, подпись преподавателя)

ОТЧЁТ ПО ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ №______6_______

        Определение момента инерции махового колеса методом колебаний      

(Название лабораторной работы)

_____________________________________________________________________________________________

  1.  Цель работы:

Ознакомление с методом измерения моментов инерции тел, обладающих осевой                       

симметрией                                                                                                                                       

__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________                                              

2. Принципиальная схема установки (или её главных узлов):

   Рисунок 1- Принципиальная схема установки для измерения инерции махового колеса

3. Основные теоретические положения к данной работе (основополагающие утверждения: формулы, схематические рисунки):

Момент инерции тела I относительно некоторой оси является мерой инертности тела при вращении его вокруг этой оси. Для материальной точки момент инерции равен произведению ее массы на квадрат расстояния до оси вращения:

I  mr2,

а для тела, которое можно представить в виде системы большого количества материальных точек (рис. 6.1.а), момент инерции относительно некоторой оси вращения равен сумме произведений масс всех материальных точек на квадраты их расстояний до этой оси:

Рис.2 I  .

       ri          mi                        r         dm            О        a         

                                                                                                    О

                                                              M                         

                                                                         О   I                  I0

а)                                      б)                                    в)      О

Для вычисления момента инерции сплошного тела его мысленно разбивают на бесконечное малые области с массами dm,  каждая из которых находится на своём расстоянии r от оси вращения (рис.2б).

Понятно, что момент инерции зависит не только от общей массы тела, но и от формы тела, а также – от распределения массы по его объёму (так, например, какие-то части тела могут быть изготовлены из более тяжёлого материала, а какие-то – из более лёгкого).

Ось вращения может проходить через центр масс тела, а может и находиться вне его (рис.2в).

Момент инерции тела I относительно произвольной оси равен сумме момента инерции I0 относительно оси, параллельной данной и проходящей через центр масс тела, и произведения массы тела т на квадрат расстояния а между осями:

                                       

                                               I = I0 + ma2.                                                (1)

В работе определяется момент инерции махового колеса К, ось симметрии которого параллельна поверхности земли. Колесо находится в состоянии безразличного равновесия, но после крепления к нему добавочного груза Г (рис. 1), колесо может колебаться относительно горизонтальной оси.

Маховое колесо начинает совершать колебания за счет сообщенной ему извне энергии. Добавочный груз Г, поднятый на высоту h относительно положения равновесия, обладает потенциальной энергией mgh (см. рис.3).

Рис.3

При прохождении системой (К и Г) положения равновесия потенциальная энергия груза Г преобразуется в кинетическую энергию вращательного движения махового колеса К и добавочного груза Г. Таким образом,

                                                       mgh = ,                                                              (2)

где Iобщ сумма моментов инерции махового колеса I и добавочного груза IГ    

                относительно горизонтальной оси О, проходящий через центр махового колеса  

                вдоль стержня:

      

                                                       Iобщ  I  IГ,                                                                    (3)

где m  масса добавочного груза;

 g  ускорение силы тяжести;

 h  высота, на которую поднимается груз;

 макс  угловая скорость махового колеса с грузом при прохождении системой  

        положения равновесия.

Как следует из формул (2) и (3), для нахождения момента инерции махового колеса I нужно знать макс, т, h и IГ. Угловая скорость макс определяется из уравнения (2) после установления характера зависимости от времени t. Максимальное значение угловой скорости (по модулю) в момент прохождения системой положения равновесия равно:

                                                  макс  0.                                                            (4)

Высоту h поднятия центра инерции добавочного груза (см. рис.3) можно выразить так:

                                                        cos0,                                                           (5)

где R и r  радиусы махового колеса и добавочного груза соответственно.

Следовательно,

                                                        h  (R + r)(1  cos0).                                                    (6)

Подставляя в уравнение (2) найденные выражения для h и макс, получаем:

                                                 mg(R + r)(1  cos0)  .                                       (7)

Величина 0 неудобна для непосредственного измерения, поэтому исключим ее из уравнения (7). При малых углах, выраженных в радианной мере,

                                                        cos0   1  .                                                             (8)

Подставив это значение косинуса в левую часть уравнения (7), получим формулу для расчета Iобщ относительно оси О:

                                    Iобщ .                                                                  (9)   

Момент инерции добавочного груза Г относительно оси О (см. рис. 3) равен

                                              IГ    mr2 + m(R+r)2.                                                           (10)

Первый член правой части равенства момент инерции груза относительно оси О', проходящей через его центр масс параллельно оси О. Второе слагаемое – это произведение массы диска на квадрат расстояния между осями О и О'.

Из выражений (9) и (10) получаем, что момент инерции махового колеса

                                            I  Iобщ  IГ     .                 (11)

Таким образом, определение момента инерции махового колеса в данной работе удалось свести к измерению массы добавочного груза т, радиусов махового колеса R и добавочного груза r, а также – периода колебаний махового колеса Т.

Для того, чтобы подтвердить утверждение о высокой точности данного метода измерения момента инерции, предлагается сравнить полученное значение I с теоретическим (IТ), которое для махового колеса – однородного диска можно вычислить по формуле:

                                                          IТ   m0 R2,                                                            (12)

где m0  масса махового колеса.

Учитывая, что маховое колесо и добавочный груз диски одинаковой толщины, изготовленные из одного и того же материала (заметим, что для самого метода измерения момента инерции эти факторы несущественны), можно получить равенство  m0 /m   R2/r2.

Таким образом, массы дисков относятся, как их объемы или (при одинаковой толщине) – как квадраты их радиусов. Выразив из последнего уравнения массу m0 и подставив её в формулу (12), получим

                                                         IТ  mR4/r2.                                                             (13)

Необходимо измерить диаметры махового колеса D и добавочного груза d, а также время t десяти полных колебаний. Масса груза m и ускорение свободного падения считаются заданными с известной степенью точности. Используя эти обозначения, окончательно запишем:

                                         I    ,                                      (14)

                                               

                                                        IТ   mD4 / d2.                                                           (15)

4. Таблицы и графики1.

Таблица 1- Приборные погрешности    

Приборные погрешности

Масса

добавочного груза m, кг

штангенциркуля x, м

секундомера , с

0,0005

0,01

0,46

Таблица 2 – Данные вычислений 

Номер

измерения

1

2

3

4

5

Средние

значения

Диаметр махового колеса D, м

0,24

0,2

0,23

0,24

0,2

Dср   0,22

Диаметр добавочного груза d, м

0,06

0,058

0,061

0,06

0,059

dср   0,06

Время десяти полных колебаний t, с

15,1

15,7

15,4

15,8

16,3

tср  15,66

Период колебаний T, с

1,51

1,57

1,54

1,58

1,63

Tср   1,57

Момент инерции махового колеса I, кгм2

0,029

0,027

0,024

0,027

0,026

Iср  0,027

IТ   0,037


5. Расчёт погрешностей измерений
 

(указать метод расчёта погрешностей).

В данной работе необходимо измерить погрешности штангенциркуля и секундомера.

Погрешность измерения секундомера () принимаем равной половине цены деления, т.е. (цена деления штангенциркуля составляет 0,01м).

Приборная погрешность секундомера () определяется аналогичным образом:

()=0,01м.

Вычисления по данной работе.

1.  где N - число полных оборотов;

  [Т]=с.

   (с);

    Т2=1,57с;

Т3=1,54с;

Т4=1,58с;

Т5=1,63с.

2.

 I2=0,027 м*с2;

       I3=0,024 м*с2;

       I4=0,027 м*с2;

       I5=0,026 м*с2.

3.

0,037 кг*м2.

6. Окончательные результаты:

I=Iср.+I;

I=0,027+0,0014=0,0284(м*с2).

IT=0,037м*с2.

Подпись студента:

                 

Лист – вкладыш

5. Расчёт погрешностей измерений (продолжение):

4.     I    T ;

.                                           

       T  .

         

       

                                                      


7. Дополнительная страница

(для размещения таблиц, теоретического материала и дополнительных сведений).

Поскольку в эксперименте непосредственно измеряются лишь D, d и t, а величина момента инерции определяется косвенным образом из расчетов по формуле (14), для вычисления ошибки измерения I необходимо пользоваться формулами для расчета ошибок косвенных измерений. Окончательный результат должен быть записан в виде

                                                           I  Icp ± I,                                                                (16)

где I  абсолютная ошибка измерения момента инерции махового колеса.

В данной работе основную роль в возникновении ошибки определения момента инерции играет случайная ошибка измерения периода колебаний; случайными же погрешностями измерения диаметров махового колеса и добавочного груза, а также приборными ошибками штангенциркуля и секундомера можно пренебречь.

Используя формулу (14), получим, что

                                               I    T .                                           (17)

Таким образом, вычисление I в данной работе сводится к определению случайной ошибки измерения периода колебаний T:

                                                T  ,                                                         (18)

 

где   коэффициент Стьюдента, значения которого можно найти в таблице, имеющейся

в лаборатории (таблица приведена также в методических указаниях [3]). Величину доверительной вероятности при выборе коэффициента Стьюдента по этой таблице примите равной 0,95.

Результаты вычислений I  необходимо округлить до первой значащей цифры, после чего округлите полученные ранее (см. таблицу 2) значения Iср и IТ до того же разряда, что и I.

Окончательный численный результат записать в виде

                                                        I  Icp ± I,                                                                   (19)  

                                                            IТ  ……

Обратить внимание на правильность записи единиц измерения, в которых выражены полученные значения момента инерции махового колеса.

1 Графики выполняются на миллиметровой бумаге или в компьютерном виде с использованием программ построения графиков. Необходимо соблюдать правила построения графиков.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

14029. Природные ресурсы, их классификация и оценка 485 KB
  Природные ресурсы – компоненты и свойства природы, которые непосредственно используются в хозяйственной деятельности как средства производства, предметы труда и потребления. Поиск, изучение и использование природных ресурсов объединяются в особый вид хозяйственной деятельности – ресурсопользование
14030. Руданський. «Козак і король», «Запорожці у короля» 30.5 KB
  УРОК № 20 Тема.С. Руданський. Козак і король Запорожці у короля. Мета:ознайомити учнів зі співомовками письменника допомогти їм побачити зв’язок гумористичного відображення дійсності із серйозними історичними фактами; розвивати навички виразного читання анал...
14031. Гамма-излучение 5.8 MB
  Однако для корректного проведения лучевой терапии необходимой является проверка качества облучения, иначе подведенная доза может оказаться завышенной или заниженной, что пагубно скажется на качестве облучения.
14032. «Окуляри» С. Руданський 28.5 KB
  УРОК № 21 Тема. С. Руданський. Окуляри. Мета: ознайомити учнів із твором письменника допомогти їм усвідомити його зміст; закріпити знання про гумор комічне; розвивати навички виразного читання аналізу співомовок співставлення головної думки твору з реальним життя...
14033. Понятие о закономерностях размещения 68.5 KB
  Развитые страны еще в доиндустриальную эпоху были культурно однородными и политически централизованными государствами с ориентацией общественного сознания на рационализм и научные факты. В отличие от них многие страны «Третьего мира» лишь недавно добились политической независимости
14034. Виразне читання напам’ять поезії Я. Щоголіва «Листопад» 71.5 KB
  УРОК № 22 Тема. Виразне читання напам’ять поезії Я. Щоголіва Листопад. Мета: розвивати пам’ять навички виразного читання коментування аналізу поетичних творів висловлення власної думки щодо прочитаного асоціативне мислення вміння робити словесне малювання по
14035. Учет и анализ основных средств на примере ООО «Меркурий» 45.36 KB
  Цель выпускной квалификационной работы - охарактеризовать основные средства, как экономическую категорию, рассмотреть принципы их бухгалтерского учета и проанализировать имеющиеся данные о составе и движении основных средств ООО «Меркурий», дать рекомендации, направленные на повышение эффективности использования основных средств.
14036. «Маленький горбань» С. Черкасенко 36 KB
  УРОК № 23 Тема. С. Черкасенко. Маленький горбань. Мета: ознайомити учнів із життям і творчістю письменника зі змістом його оповідання; розвивати навички виразного читання переказу епічних творів їх коментування висловлення своєї думки щодо прочитаного; виховуват
14037. Маленький горбань С. Черкасенко 31 KB
  УРОК № 24 Тема. С. Черкасенко. Маленький горбань. Мета: допомогти учням глибше усвідомити ідейнохудожній зміст оповідання; розвивати навички виразного читання переказу висловлення власної думки з приводу прочитаного; виховувати почуття милосердя доброти толера