37962

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОМЕНТОВ ИНЕРЦИИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ МЕТОДОМ КРУТИЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ

Лабораторная работа

Физика

Момент инерции.11 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4 ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОМЕНТОВ ИНЕРЦИИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ МЕТОДОМ КРУТИЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ 1. Цель работы Исследование крутильных колебаний и измерение момента инерции тела сложной формы. Момент инерции.

Русский

2013-09-25

493.5 KB

93 чел.

Содержание

  1.  Цель работы……………………………………………………………4
  2.  Теоретическая часть…………………………………………………..4

2.1. Момент инерции. Теорема Штейнера……………………………...4

2.2. Метод крутильных колебаний……………………………………...6

  1.  Приборы и принадлежности………………………………………….8
  2.  Требования по технике безопасности………………………………..8
  3.  Порядок выполнения работы…………………………………………8
  4.  Требования к отчету…………………………………………………10
  5.  Контрольные вопросы……………………………………………….10

Список литературы……………………………………………………..11

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОМЕНТОВ ИНЕРЦИИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ

МЕТОДОМ КРУТИЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ

1. Цель работы

Исследование крутильных колебаний и измерение момента инерции тела сложной формы.

2. Теоретическая часть

2.1. Момент инерции. Теорема Штейнера

Моментом инерции материальной точки относительно оси называют величину

,

где mi – масса материальной точки, ri – расстояние от материальной точки до оси.

Моментом инерции тела относительно оси называют сумму моментов инерции материальных точек, составляющих его

.

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

                                            ,                          (2.1)

где ρплотность.

Рассчитаем, например, момент инерции тонкого однородного стержня массы m и длины l относительно оси перпендикулярной стержню и проходящей через его середину (рис. 2.1).

 

                    

равен                                .                           (2.2)

Из (2.1) следует, что момент инерции однородного стержня не зависит от его ширины, поэтому формула (2.2) применима для расчета момента инерции тонкой однородной пластины прямоугольной формы.

Если известен момент инерции тела относительно оси, проходящей через центр масс, то момент инерции тела относительно любой параллельной оси можно определить, воспользовавшись теоремой Штейнера, согласно которой момент инерции J тела относительно произвольной оси равен сумме момента инерции Jс тела относительно оси, параллельной данной и проходящей через центр масс тела, и произведения массы тела m на квадрат расстояния d между осями

                                                .                                     (2.3)

Используя уравнение (2.2), теорему Штейнера и уравнение (2.1) рассчитаем момент инерции параллелепипеда относительно оси симметрии.

                           Рис. 2.2

.

Момент инерции параллелепипеда относительно оси 0Z

              ,                 (2.4)

где а и b – длины сторон параллелепипеда, расположенные в горизонтальной плоскости, m – масса параллелепипеда.

Момента инерции тела относительно оси является мерой инертности тела при вращательном движении и зависит не только от массы тела, но и от распределения ее в пространстве относительно оси. Тело обладает определенным моментом инерции относительно любой оси независимо от того вращается оно или покоится.

2.2 Метод крутильных колебаний

В настоящей работе моменты инерции твердых тел определяется с помощью крутильных колебаний на установке, представленной на рис. 2.3.

Рис. 2.3

Рамка 1 закреплена на натянутой стальной проволоке, проходящей по ее геометрической оси. Если рамку повернуть на некоторый угол φ, то происходит закручивание проволоки. Тогда силы упругости стремятся вернуть рамку в исходное положение. Момент М возвращающей силы при относительно малом угле поворота φ связан с ним соотношением

                                                    ,                                         (2.5)

где D – коэффициент, называемый модулем кручения проволоки.

Величина D зависит от длины проволоки, ее диаметра и модуля сдвига, характеризующего упругие свойства материала проволоки.

Согласно основного закона динамики вращательного движения, момент силы М, угловое ускорение ε и момент инерции J тела связаны соотношением

                                                   .                                            (2.6)

Из (2.5) и (2.6) получаем дифференциальное уравнение, описывающее движение рамки

или

                                             ,                                        (2.7)

где .

Решением уравнения (2.7) является гармоническое колебание

с периодом

                                               .                                           (2.8)

Момент инерции J можно найти на основе соотношения (2.8), если узнать величину D. В данной работе определение модуля кручения D не требуется. Измеряется период колебания Т пустой рамки с моментом инерции J, Затем определяется период Т1 колебаний системы, состоящий из рамки с установленными на нее грузами 2 с известным моментом инерции J0. Тогда, согласно формуле (2.8), имеем

                                           .                                     (2.9)

Исключая из (2.8) и (2.9) величину D, получаем формулу для расчета момента инерции J исследуемого тела

                                         .                                     (2.10)

3. Приборы и принадлежности

экспериментальная установка;

набор тел (два сплошных цилиндра, параллелепипед, куб).

4. Требования по технике безопасности

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

4.2. По окончании работы приведите в порядок свое рабочее место. Обесточьте прибор.

5. Порядок выполнения работы

1. Установить рамку так, чтобы в положении равновесия флажок рамки находился между окнами фотодатчика 3 рис. 2.2. Установить электромагнит в положение, чтобы угловая амплитуда колебаний рамки составляла 5–10 градусов. Включить электропитание нажатием кнопки «СЕТЬ». Затем повернуть рамку так, чтобы она удерживалась в исходном положении электромагнитом.

2. Измерить длительность времени t для числа полных колебаний рамки N=20. Для этого нажать кнопку «ПУСК». Кнопку «СТОП» нажать, когда число полных колебаний будет равно N – 1.

3. Повторить опыт еще два раза. Рассчитать среднее время tср и определить средний период колебаний Т рамки

                                                 .                                              (5.1)

4. Установить два груза (цилиндра) на планку. Три раза определить время t1 20 полных колебаний рамки. По среднему времени определить период колебаний Т1 рамки с грузами.

5. Определить момент инерции рамки Jр по формуле (2.10), где J0 = 2 m (), (m – масса груза; r=0,015 м – радиус груза;     l=0,052 м – расстояние от оси вращения рамки до оси грузов).

Результаты измерений занести в таблицу 1.

6. Снять грузы, установить исследуемый образец 4 (по указанию преподавателя) в рамке и закрепить специальными винтами так, чтобы острия винтов входили в углубления на образце вдоль       какой – либо из осей ОХ, Оy, ОZ,  АС /, ЕК, LM  рис. 5.1.

7. Повторив п.2 и п.3 определить время t2 20 колебаний рамки с образцом и по среднему времени рассчитать период Т2.

8. Определить  момент  инерции исследуемого образца по формуле

                                .                                        (5.2)

9. Выполнить п. 6 – 8 для всех указанных осей. Результаты занести в таблицу 2.

10. Сравнить  результаты  определения  моментов  инерции образца относительно различных осей.

11. Рассчитать относительную и абсолютную погрешности измерения момента инерции образца J относительно одной из осей ОХ, Оy или ОZ (по указанию преподавателя).

12. Рассчитать теоретическое значение момента инерции образца J относительно одной из осей ОХ, Оy или ОZ (по указанию преподавателя) по формуле (2.4)

13. Сравнить результаты экспериментального определения момента инерции образца с теоретически рассчитанным.

Таблица 1

№ опыта

t, с

tср

T, с

t1, с

t1 ср, с

T1, с

Jр, кг·м2

1

2

3

Таблица 2

№ опыта

t2, с

t2 ср

T2, с

J, кг·м2

ΔJ, кг·м2

ε, %

1

2

3

  1.  Требования к отчету

Отчет по лабораторной работе должен содержать:

а) номер и название лабораторной работы;

б) основные формулы для выполнения расчетов;

в) результаты измерений и вычислений;

г) формулы для расчета погрешностей;

д) выводы.

7. Контрольные вопросы

  1.  Что называется моментом  инерции  материальной  точки  относительно оси? Что называется моментом  инерции  тела относительно оси?
  2.  Каков физический смысл момента инерции?

3.  В чем суть теоремы Штейнера?

4. Запишите основной закон динамики вращательного движения и раскройте физический смысл величин, входящих в него.

5. Покажите, что система совершает гармонические колебания, запишите дифференциальное уравнение колебаний и его решение.

6. Выведите формулу для расчета момента инерции однородного параллелепипеда относительно оси симметрии.

Список литературы

  1.  Савельев И.В. Курс общей физики. Кн. 1. – М.: Наука, 1998.– 336 с.

2. Детлаф А.Н., Яворский Б.М.  Курс физики. – М.: Высшая школа, 2000. – 718 с.

3. Трофимова Т.И. Курс физики. – М.: Высшая школа, 1994.– 542 с.

PAGE  10


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

20413. Систе́ма управле́ния ба́зами да́нных (СУБД) 1.44 MB
  12 13 CASEсредства UML отличное средство моделирования но как уже говорилось выше строить диаграммы на бумаге не всегда удобно хотя бы по причине сложностей с редактированием распространением и т. Эти возможности сочетаются в одном интегрированном решении с поддержкой UML помогающем командно разрабатывать высококачественные системы быстрее и эффективнее. Together предоставляет интерактивные возможности моделирования и поддерживает все виды диаграмм UML включая диаграммы классов прецедентов последовательностей кооперации...
20414. Информационные системы. Определение распределенной системы 1.18 MB
  Мультипроцессорные системы шинной архитектуры состоят из некоторого количества процессоров подсоединенных к общей шине а через нее к модулям памяти. Память стала несогласованной и программирование системы осложнилось. Для построения мультипроцессорной системы с более чем 256 процессорами для соединения процессоров с памятью необходимы другие методы.
20415. Разработка и эксплуатация информационных систем 642.5 KB
  Объект сущность в адресном пространстве вычислительной системы появляющаяся при создании экземпляра класса например после запуска результатов компиляции и линковки исходного кода на выполнение. Понятие и назначение информационной системы данных. Архитектурные уровни информационной системы. Три уровня такой системы это: уровень базы данных БД; уровень приложений; уровень представления пользовательский.
20416. Диаграмма взаимодействия 22 KB
  Однако посмотрим что о таких диаграммах говорили классики например Буч. А вот что: Диаграмма взаимодействия это диаграмма на которой представлено взаимодействие состоящее из множества объектов и отношений между ними включая и сообщения которыми они обмениваются. Этот термин применяется к видам диаграмм с акцентом на взаимодействии объектов диаграммах кооперации последовательности и деятельности. Диаграмма последовательностей диаграмма взаимодействия в которой основной акцент сделан на упорядочении сообщений во времени.
20417. Системы управления контентом 47.5 KB
  История управления контентом началась с управления документами в традиционном смысле этого слова т. По мере развития понятия документ системы управления документами стали называть системами управления контентом. Системы управления контентом действительно научились разделять управление документами хранение изменение и т.
20418. Диаграмма состояний (statechart diagram) 253 KB
  Вершинами графа являются возможные состояния автомата изображаемые соответствующими графическими символами а дуги обозначают его переходы из состояния в состояние. Длительность нахождения системы в любом из возможных состояний существенно превышает время которое затрачивается на переход из одного состояния в другое. При этом автомат может находиться в отдельном состоянии как угодно долго если не происходит никаких событий; время нахождения автомата в том или ином состоянии а также время достижения того или иного состояния никак не...
20419. АСУ «Экспресс» 31.5 KB
  АСУ Экспресс начала работать в 1972 году на Московском железнодорожном узле. Она получила название Экспресс1 и предназначалась для массового обслуживания пассажиров в реальном масштабе времени. Основной целью создания системы Экспресс1 являлось получение опыта в автоматизации управления билетнокассовыми операциями в масштабе такого крупного железнодорожного узла как Москва обслуживающего в сутки до 250 тысяч пассажиров поездами прямого и местного сообщения.
20420. Система АСУ Экспресс 66.5 KB
  1972 Система Экспресс1 запущена в эксплуатацию в предварительных кассах Киевского вокзала Москвы. 1974 Система Экспресс1 введена в эксплуатацию в масштабе Московского железнодорожного узла. 1982 Система Экспресс2 запущена в Москве с обслуживанием пассажиров через бюро заказов по телефону.
20421. Диаграмма классов (class diagram) 207 KB
  В этих разделах могут указываться имя класса атрибуты переменные и операции методы. Имя класса должно быть уникальным в пределах пакета который описывается некоторой совокупностью диаграмм классов или одной диаграммой. В дополнение к общему правилу наименования элементов языка UML имя класса записывается по центру секции имени полужирным шрифтом и должно начинаться с заглавной буквы. В первой секции обозначения класса могут находиться ссылки на стандартные шаблоны или абстрактные классы от которых образован данный класс и от которых он...