37958

Определение моментов инерции твердых тел методом трифилярного подвеса

Лабораторная работа

Физика

Момент инерции.1] Список литературы Лабораторная работа № 1 Определение моментов инерции твердых тел методом трифилярного подвеса 1. Экспериментальное определение моментов инерции твердых тел. Момент инерции.

Русский

2013-09-25

318.5 KB

20 чел.

Содержание

[1] 1. Цель работы

[2] 2. Теоретическая часть

[2.1] 2.1. Момент инерции. Теорема Штейнера

[2.2] 2.2. Метод трифилярного подвеса

[3] 3. Приборы и принадлежности

[4] 4. Требования по технике безопасности

[5] 5. Порядок выполнения работы

[6] 6. Требования к отчету

[7] 7. Контрольные вопросы

[7.1] Список литературы


Лабораторная работа № 1

Определение моментов инерции твердых тел

методом трифилярного подвеса

1. Цель работы

1.1. Экспериментальное определение моментов инерции твердых тел.

1.2. Проверка теоремы Штейнера.

2. Теоретическая часть

2.1. Момент инерции. Теорема Штейнера

Моментом инерции материальной точки относительно оси называют произведение массы этой точки mi на квадрат ее расстояния до оси

.

Моментом инерции тела относительно оси называют сумму моментов инерции материальных точек, из которых состоит это тело

. (2.1)

Представляя тело состоящим из сколько угодно малых частей объемом dV и массы dm, его момент инерции можно рассчитать интегрированием

, (2.2)

где r – расстояние от элемента тела объемом dV до оси, относительно

которой рассчитывается момент инерции.

Так как dm =  dV, где – плотность тела в данной области dV, то .

Если тело однородно, то для всех областей ρ одинаково и

. (2.3)

Наиболее просто определяются моменты инерции тел правильной геометрической формы с равномерным распределением массы по объему.

Рассчитаем момент инерции сплошного однородного диска массы m и радиуса R относительно оси симметрии (рис. 2.1). Разобьем диск на кольцевые слои толщиной  и радиуса . Объем такого слоя равен , где  – толщина диска.

С учетом (2.3) момент инерции диска

.

Вынесем за знак интеграла постоянный множитель

.

Введя массу диска , как произведение плотности  на объем диска , получим

. (2.4)

Из (2.4) следует, что момент инерции сплошного однородного диска зависит только от его массы и радиуса и не зависит от толщины диска. Поэтому формула (2.4) применима для расчета момента инерции сплошного однородного цилиндра относительно оси симметрии.

Если известен момент инерции тела относительно оси, проходящей через его центр масс, то момент инерции тела относительно любой параллельной оси можно определить, воспользовавшись теоремой Штейнера. Согласно теореме Штейнера, момент инерции J тела относительно произвольной оси равен сумме момента инерции тела  относительно оси, параллельной данной и проходящей через центр масс тела, и произведения массы тела m на квадрат расстояния а между осями

. (2.5)

Момент инерции тела относительно оси является мерой инертности тела при вращательном движении (мерой инертности тела при поступательном движении является его масса) и зависит не только от массы тела, но и от ее распределения в пространстве относительно оси. Тело обладает определенным моментом инерции относительно любой оси независимо от того, вращается оно или находится в покое.

2.2. Метод трифилярного подвеса

В настоящей работе моменты инерции твердых тел определяются с помощью трифилярного подвеса, представляющего собой диск радиуса R, подвешенный горизонтально на трех нитях длиной L к неподвижному диску меньшего радиуса r (рис. 2.2).

Рис. 2.2

Центры дисков расположены на одной вертикальной оси OO, вокруг которой нижний диск может совершать крутильные колебания. При колебаниях центр масс С диска радиуса R перемещается вдоль оси OO. При повороте нижнего диска на угол вокруг оси OO его перемещение равно h (рис. 2.3), а приращение потенциальной энергии

Eпm g h,

где m – масса нижнего диска.

Колеблющийся диск совершает вращательное движение, поэтому его кинетическая энергия равна

,

где J  момент инерции диска относительно оси OO,   угловая скорость диска.

При небольших смещениях диска по вертикали по сравнению с длиной нитей, т.е. при малых углах поворота, пренебрегая вязкостью воздуха, можно показать, что диск совершает гармонические колебания и угол его поворота изменяется со временем по закону

,

где   амплитуда углового смещения,  период колебаний,

а изменение потенциальной энергии диска при максимальном угле поворота  равно максимальной кинетической энергии вращательного движения, которой он обладает в момент прохождения положения равновесия

,

где  – угловая скорость диска в момент прохождения положения равновесия.

Отсюда момент инерции диска

. (2.6)

Угловая скорость диска меняется по гармоническому закону

.

Следовательно, максимальная угловая скорость  равна

. (2.7)

Высоту h, на которую поднимается диск, определим из геометрических соображений (рис. 2.3)

. (2.8)

Но

(2.9)

С учетом уравнений (2.9) уравнение (2.8) запишем в виде

.

При малых углах   , а  .

Таким образом

. (2.10)

Подставляя (2.7) и (2.10) в (2.6) получим

. (2.11)

Уравнение (2.11) можно применять не только для расчета момента инерции диска () относительно оси OO, но и для расчета момента инерции диска с грузами (J). Момент инерции груза () можно найти

. (2.12)

3. Приборы и принадлежности

Приборы и принадлежности:

- трифилярный подвес;

- набор тел (2 сплошных цилиндра, параллелепипед);

- электросекундомер;

- линейка.

4. Требования по технике безопасности

1. Прежде чем приступить к работе, внимательно ознакомьтесь с заданием и лабораторной установкой.

2. По окончании работы приведите в порядок свое рабочее место. Обесточьте электросекундомер.

5. Порядок выполнения работы

В работе определяются моменты инерции:

- ненагруженного диска;

- диска с грузами;

- грузов.

Задание 5.4 выполняется по указанию преподавателя.

5.1. Определение момента инерции ненагруженного диска

1. Измерить радиус R нижнего диска, радиус r верхнего диска и длину L нитей. Масса диска = (0,8885±0,0001) кг.

2. Повернуть диск на угол 5-6 градусов вокруг оси OO и измерить электросекундомером время 20 полных колебаний.

3. Повторить измерения еще 2 раза и результаты записать в табл. 5.1.

4. Определить среднее время 20 колебаний и рассчитать средний период колебаний  

,

где n – число колебаний.

5. По формуле (2.11) вычислить момент инерции ненагруженного диска.

6. Рассчитать относительную и абсолютную погрешности измерения момента инерции диска .

Таблица 5.1

, кг

R, м

r, м

l, м

, с

,cp, с

, с

,

кгм2

,

кгм2

ε, %

1

2

3

5.2. Определение момента инерции сплошного цилиндра относительно оси, проходящей через центр масс тела

1. Расположить исследуемое тело на диске так, чтобы его ось симметрии совпала с осью OO (рис. 2.3).

2. Повернув диск на 5-6 градусов вокруг оси OO, 3 раза измерить время 20 полных колебаний.

3. Рассчитать среднее время и определить период колебаний Т нагруженного диска

. (5.1)

4. По формуле 2.11 вычислить момент инерции Jc1 системы, принимая массу m равной сумме масс исследуемого тела и диска.

5. По формуле 2.12 определить момент инерции J1 цилиндра.

6. Рассчитать погрешности измерения момента инерции цилиндра.

7. Рассчитать момент инерции сплошного цилиндра относительно оси вращения, проходящей через его центр инерции, по формуле

теорцил,

где mцил  масса цилиндра, r  радиус цилиндра.

8. Сравнить значения момента инерции сплошного цилиндра, полученные экспериментально и теоретически.

9. Внести результаты измерений и расчетов в табл. 5.2.

Таблица 5.2

m, кг

mцил, кг

t, с

tcp, с

T, с

,

кгм2

,

кгм2

,

кгм2

ε, %

J1теор,

кгм2

1

2

3

5.3. Проверка теоремы Штейнера

1. Расположить строго симметрично на диске два цилиндра.

2. Повернув диск с цилиндрами на 5-6 градусов вокруг оси OO, 3 раза измерить время 20 полных колебаний. По среднему времени по формуле (5.1) вычислить период колебаний нагруженного диска.

3. По формуле (2.11) рассчитать момент инерции  системы, принимая массу m, равной массе диска и двух цилиндров (цил).

4. Определить момент инерции J2 одного цилиндра по формуле

.

5. Рассчитать погрешности измерения.

6. Теоретическое значение момента инерции цилиндра, расположенного на расстоянии d от оси вращения, определить по формуле

теорцилцил,

где r  радиус цилиндра, mцил  масса цилиндра, d  расстояние от оси вращения до центра тяжести цилиндра.

7. Результаты измерений внести в табл. 5.3.

8. Сравнить экспериментальное значение момента инерции сплошного цилиндра, расположенного на расстоянии d от оси вращения, с теоретически рассчитанным значением.

Таблица 5.3

m, кг

t, с

tср, с 

T, с 

,

кгм2

,

кгм2

,

кгм2

ε, %

теор,

кгм2

1

2

3

5.4. Проверка зависимости момента инерции от распределения массы тела относительно оси

1. Расположить параллелепипед основанием на диске так, чтобы ось симметрии проходила через ось OO.

2. Три раза определить время t 20 полных колебаний и по среднему времени по формуле (5.1) вычислить период колебаний.

3. По формуле (2.10) вычислить момент инерции  нагруженного диска, принимая массу m, равной массе диска и параллелепипеда (= m+ mпар).

4. Рассчитать момент инерции параллелепипеда по формуле

Jпар =  ,

5. Расположить параллелепипед боковой гранью на диске так, чтобы параллелепипед был расположен симметрично относительно диаметра диска, а ось вращения проходила бы через его центр тяжести.

6. Три раза определить время t, за которое происходит 20 полных колебаний и по среднему времени по формуле (5.1) вычислить период колебаний Т.

7. По формуле (2.11) вычислить момент инерции  нагруженного диска, используя значение периода Т.

8. Рассчитать момент инерции параллелепипеда по формуле

Jпар =   ,

9. Результаты измерений и вычислений внести в табл. 5.4.

10. Сравнить значения Jпар и Jпар.

Таблица 5.4

m, кг

t, с

tcp, с

T, с

t, c

tcp, c

,

кгм2

Jпар,

кгм2

,

 кгм2

Jпар,

кгм2

1

2

3

6. Требования к отчету

Отчет по лабораторной работе должен содержать:

а) номер и название лабораторной работы;

б) основные формулы для выполнения расчетов;

в) таблицы с результатами измерений и вычислений;

г) формулы для расчета погрешностей измерений;

д) выводы.

7. Контрольные вопросы

1. Что называется моментом инерции материальной точки относительно оси? Что называется моментом инерции тела относительно оси?

2. В чем суть теоремы Штейнера?

3. Как теорема Штейнера проверяется экспериментально?

4. В какие моменты времени абсолютное значение угловой скорости диска будет максимальным?

5. Какой закон сохранения применяется при выводе формулы для определения момента инерции экспериментальным путем? Сформулируйте его.

6. Выведите формулу для расчета момента инерции сплошного цилиндра относительно оси симметрии.

Список литературы

1. Савельев И.В. Курс общей физики. Кн. 1. - М.: Наука, 1998.

2. Детлаф А.Н., Яворский Б.М. Курс физики. - М.: Высшая школа, 2002.

3. Трофимова Т.И. Курс физики. – М.: Высшая школа, 2004.

PAGE  13


r

r

Рис. 2.1

φ

 dr

h

В1

O

O

В

A1

А

R

l

l1

L

r

О

h

O

Рис. 2.3

С

LL

R


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

20444. Document Object Model 54 KB
  Модель DOM не накладывает ограничений на структуру документа. Любой документ известной структуры с помощью DOM может быть представлен в виде дерева узлов каждый узел которого представляет собой элемент атрибут текстовый графический или любой другой объект. Изначально различные браузеры имели собственные модели документов DOM не совместимые с остальными.
20445. Диаграмма развертывания (deployment diagram) 62 KB
  Для представления общей конфигурации и топологии распределенной программной системы в UML предназначены диаграммы развертывания. Диаграмма развертывания предназначена для визуализации элементов и компонентов программы существующих лишь на этапе ее исполнения runtime. Те компоненты которые не используются на этапе исполнения на диаграмме развертывания не показываются.
20447. Денежно-кредитная политика 87 KB
  Понятие и цели ДКП. Спрос на деньги и предложение денег. Создание банковской системы и новых денег. Банковский и денежный мультипликаторы. Инструменты ДКП. Политика дешевых и дорогих денег. Эффективность ДКП. Особенности ДКП в РБ.
20448. PHP 288.5 KB
  PHP: Hypertext Preprocessor PHP: препроцессор гипертекста англ. Область применения В области программирования для Сети PHP один из популярных скриптовых языков наряду с JSP Perl и языками используемыми в ASP.NET благодаря своей простоте скорости выполнения богатой функциональности кроссплатформенности и распространению исходных кодов на основе лицензии PHP.
20449. Диаграмма последовательности (sequence diagram) 112.5 KB
  Сообщения изображаются в виде горизонтальных стрелок с именем сообщения а их порядок определяется временем возникновения. То есть сообщения расположенные на диаграмме последовательности выше инициируются раньше тех которые расположены ниже. Сообщения В UML каждое взаимодействие описывается совокупностью сообщений которыми участвующие в нем объекты обмениваются между собой. Прием сообщения инициирует выполнение определенных действий направленных на решение отдельной задачи тем объектом которому это сообщение отправлено.
20450. HTTP 261 KB
  Основой HTTP является технология клиентсервер то есть предполагается существование потребителей клиентов которые инициируют соединение и посылают запрос и поставщиков серверов которые ожидают соединения для получения запроса производят необходимые действия и возвращают обратно сообщение с результатом. HTTP в настоящее время повсеместно используется во Всемирной паутине для получения информации с вебсайтов. В 2006 году в Северной Америке доля HTTPтрафика превысила долю P2Pсетей и составила 46 из которых почти половина это...
20451. Диаграмма кооперации (collaboration diagram) 122.5 KB
  Прежде всего на диаграмме кооперации в виде прямоугольников изображаются участвующие во взаимодействии объекты содержащие имя объекта его класс и возможно значения атрибутов. В отличие от диаграммы последовательности на диаграмме кооперации изображаются только отношения между объектами играющими определенные роли во взаимодействии. Кооперация Понятие кооперации collaboration является одним из фундаментальных понятий в языке UML.
20452. MySQL 122 KB
  MySQL является собственностью компании Oracle Corporation получившей её вместе с поглощённой Sun Microsystems осуществляющей разработку и поддержку приложения. MySQL является решением для малых и средних приложений. Обычно MySQL используется в качестве сервера к которому обращаются локальные или удалённые клиенты однако в дистрибутив входит библиотека внутреннего сервера позволяющая включать MySQL в автономные программы.