3827

Изучение вращательного движения твердого тела

Лабораторная работа

Физика

Изучение вращательного движения твердого тела Цель работы: изучение кинематики и динамики вращательного движения, построение абстрактной модели реальной физической системы. Приборы и принадлежности: прибор Обербека, оборудованный миллисекундомером, ...

Русский

2012-11-08

83.5 KB

28 чел.

Изучение вращательного движения твердого тела

Цель работы: изучение кинематики и динамики вращательного движения, построение абстрактной модели реальной физической системы.

Приборы и принадлежности: прибор Обербека, оборудованный миллисекундомером, набор сменных грузов, штангенциркуль, измерительная лента.

Теоретическое введение

Прибор Обербека (рис.) представляет собой металлическую крестовину, способную свободно вращаться вокруг горизонтальной оси. На той же оси находится двухступенчатый диск, жестко связанный с крестовиной. На одну из ступеней диска наматывается нить, второй конец которой перекинут через блок. К концу нити, перекинутому через блок, прикрепляются грузы различной массы. На крестовине закреплены четыре груза, положение которых можно изменять. Схема установки изображена на рисунке.

Прежде чем записать уравнения движения для всех тел, входящих в систему, сделаем некоторые предположения. Будем считать нить невесомой и нерастяжимой. Предположим, что массой блока, трением в оси блока, трением в оси крестовины и вязким трением можно пренебречь. Таким образом, следует записать уравнения движения только для двух тел: крестовины и груза, прикрепленного к верхнему концу нити. Силы, действующие на тела, показаны на рисунке. Уравнение движения груза M в проекции на направление движения имеет вид:

M gT1 = M a     (1)

Уравнение движения крестовины в проекции на ось , перпендикулярную чертежу и направленную от наблюдателя выглядит так:

T2 R = I β.      (2)

Рис. Схема экспериментальной установки.

При написании уравнения (2) было принято во внимание, что грузы расположены на крестовине симметрично, вследствие чего центр масс крестовины с грузами совпадает с осью вращения. Это приводит к тому, что момент силы тяжести равен 0.

Если сделанные выше предположения относительно массы блока и силы трения в его оси справедливы, то сила натяжения нити постоянна:

T1 = T2.      (3)

Так как нить нерастяжима, то угловое ускорение крестовины связано с линейным ускорением груза M соотношением:

а = β R.      (4)

Здесь R – радиус ступени диска, на которую намотана нить.

В уравнении (2) I – момент инерции крестовины с грузами относительно оси вращения. Он зависит от положения грузов на крестовине следующим образом:

I = I0 + 4mr02 + 4ml2/12 + 4mr2/4,   (5)

где I0 –  момент инерции крестовины, численное значение которого не зависит от положения грузов, r0 – расстояние от центра масс груза до оси вращения крестовины, r – радиус груза, l – длина груза. Формулу (5) можно получить, используя теорему Штейнера и приближённо считая грузы цилиндрами радиусом r и высотой l. В настоящей установке используются грузы размерами: r = 0,015 м и l = 0,02 м, и массой m = 54 г. Момент инерции крестовины без грузов можно определить по формуле

    I0 = 4m1l12/3,     (5а)

где m1 – масса стержня, m1 = 0,023 кг, l1 – длина одного из четырех стержней крестовины, l1 = 0,15 м.

Решая уравнение (1) относительно силы натяжения нити, получим:

T1 = T2 = M (ga).    (6)

Линейное ускорение груза вычисляется по измеряемым значениям пройденного пути и времени движения груза:

а = 2h / t2.      (7)

Таким образом, момент силы натяжения, действующий на крестовину, может быть вычислен по формуле:

N = T2 R = M R (g–2h / t2),   (8)

а угловое ускорение крестовины находится по формуле:

β = a / R=2h / R t2.    (9)

Зная момент сил, действующих на крестовину, и ее угловое ускорение, можно по формуле (2) вычислить момент инерции крестовины с грузами.

Задания для самостоятельной подготовки к лабораторной работе

  1.  Сформулируйте второй закон Ньютона.
  2.  Сформулируйте уравнение движения твердого тела относительно неподвижной оси.
  3.  Дайте определение вектора момента силы. Как вычислить модуль момента силы?
  4.  Дайте определение момента инерции твердого тела.
  5.  От чего зависит компонента момента инерции I0 в уравнении (5)?
  6.  Почему в уравнение (2) включен только момент силы натяжения нити? Что можно сказать про моменты других сил, действующих на крестовину?

Экспериментальная часть

  1.  Произведите регулировку положения основания при помощи регулировочных опор и встроенного пузырькового уровня. Измерьте штангенциркулем диаметры ступеней диска 2R1 и 2R2. Результаты измерений диаметров и приборную погрешность измерений запишите в тетрадь. Измерить нельзя – штангель не лезет.
    1.  Измерьте расстояние h от верхнего положения груза до кронштейна с фотодатчиком по шкале на вертикальной стойке прибора. Результаты измерений и приборную погрешность измерений расстояния запишите.
    2.  Сбалансируйте крестовину, передвигая грузы m вдоль направляющих. Сбалансированная крестовина в свободном состоянии должна быть неподвижна относительно оси вращения при любом положении. Массы грузов m запишите в тетрадь. Используя измерительную линейку, измерьте расстояния от оси вращения крестовины до центра масс каждого из четырех грузов r0. За истинное значение будет приниматься среднее из измеренных значений r0. Все результаты, с учетом приборной погрешности, запишите в тетрадь.
    3.  Намотайте нить на одну из ступеней диска. Второй конец нити перекиньте через блок и подвесьте к нему груз M. Массу груза запишите.
    4.  Уравняйте нижний край груза с выбранным положением по вертикальной шкале и включите прибор нажатием клавиши «Сеть».
    5.  Нажмите клавишу «Пуск» и измерьте время прохождения грузом расстояния h . Результаты запишите с учетом приборной погрешности. Повторите измерение времени не менее 3-х раз.
    6.  Увеличьте массу груза M, запишите значение массы M в тетрадь и произведите измерения, указанные в пунктах 5 и 6. Значение массы M следует менять столько раз, сколько позволяет набор сменных грузов. Примечание: не следует брать такую массу груза, при которой нить начинает проскальзывать даже при включённом фрикционе (тормозной диск). Результаты измерений оформите в виде таблицы, приблизительный вид которой указан ниже.
    7.  Повторите все измерения, указанные в пунктах 4–7, с использованием второй ступени диска. Результаты занесите во вторую таблицу, аналогичную приведенной ниже.
    8.  Измените положение грузов на крестовине в соответствии с пунктом 3. Проделайте для нового положения грузов на крестовине все измерения, указанные в пунктах 4–8. Результаты оформите в виде третьей таблицы, аналогичной двум предыдущим.

Таблица.

    

1

1

2

2

1

2

1

2

Обработка и анализ результатов измерений

  1.  Для каждого значения массы груза M вычислите среднее время движения груза от верхнего положения до кронштейна с фотодатчиком и погрешность определения времени.
  2.  Используя среднее значение времени, по формулам (8) и (9) вычислите моменты силы натяжения нити, действующие на крестовину, и угловые ускорения крестовины. Посчитайте погрешности этих величин.
  3.  Для двух различных положений грузов r0 на крестовине постройте графики зависимости моментов сил натяжения нити, действующих на крестовину, от углового ускорения крестовины. Обработайте графики по методу наименьших квадратов. Значения тангенсов углов наклона и отрезков, отсекаемых на ординате, запишите в тетрадь.
  4.  По значениям тангенсов углов наклона построенных графиков вычислите моменты инерции крестовины для двух различных положений грузов r0 на ней. Вычислите погрешности моментов инерции. Результаты запишите.
  5.  Вычислив значения моментов инерции крестовины, проверьте, насколько хорошо выполняются формулы (5) и (5а). Сделайте выводы о том, насколько абстрактная модель установки соответствует действительности.

Контрольные задания

  1.  Как определяется кинетическая энергия тела, вращающегося вокруг неподвижной оси?
  2.  Как можно оценить момент сил трения при раскручивании крестовины в данной лабораторной работе?
  3.  К ободу однородного сплошного диска массой 10 кг, насаженного на ось, проходящую через центр масс, приложена постоянная касательная сила 30 Н. Определите кинетическую энергию диска через 4 с после начала действия силы, если радиус диска R = 40 см.
  4.  Колесо радиусом 30 см и массой 3 кг скатывается без проскальзывания по наклонной плоскости длиной 5 м и углом наклона . Определите момент инерции колеса, если его скорость в конце движения составляла 4,6 м/с.

Литература

  1.  И.В.Савельев. Курс общей физики. Т.1.– с.36–44.
    1.  С.Э.Хайкин. Физические основы механики.– с.87–89, 92, 94.


          m

         

       

   z

       m        m       

          m

            

  1.  

 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

40173. АКТИВНЫЕ ФИЛЬТРЫ 83 KB
  Необходимо чтобы ОУ охваченный ООС обеспечивал заданный коэффициент усиления как в полосе пропускания. Основной параметр: полоса пропускания которая определяется по уровню падения коэффициента передачи в 141 раза на 3дб. Ширина полосы пропускания изменяется варьированием RC. Коэффициент передачи в полосе пропускания постоянный и равен Кио.
40174. ГЕНЕРАТОРЫ 102 KB
  По форме выходного напряжения классифицируются: генераторы гармонических колебаний и генераторы негармонических колебаний импульсные или релаксацоинные. Ku=U2 U1=Kuωejφkω где Kuω=U2ω U1ω модуль коэффициента усиления на частоте ω; φkω=ψ2ωψ1ω сдвиг фаз между выходным и входным напряжениями Ku на частоте ω; Bu=U1 U2=Buωejφbω где Buω=U1ω U2ω модуль коэффициента передачи на частоте ω; φbω=ψ1ωψ2ω сдвиг фаз между выходным и входным напряжениями четырёхполюсника Bu на частоте ω. Если на входе...
40175. ИСТОЧНИКИ ВТОРИЧНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ 269 KB
  Классификация: 1 устройства согласования уровня напряжения служат для преобразования постоянного или переменного напряжения одного уровня в напряжение другого уровня. 2 устройства согласования стабильности напряжения: сглаживающие фильтры служат для стабилизации мгновенного значения пульсирующего напряжения тока и стабилизаторы служат для стабилизации среднего значения выходного тока напряжения или мощности. 3 устройства согласования частоты: выпрямители преобразователи напряжения переменного тока в напряжение содержащее...
40176. Портфельное инвестирование 24.5 KB
  Если у вас куплены акции двух и более разных компаний из разных отраслей то такое инвестирование можно назвать портфельным. Чтобы достичь успеха в портфельном инвестировании необходимо грамотно подбирать бумаги компаний. Если инвестор нацелен на получение максимальной прибыли то и риски будут весьма велики в такой портфель войдет большинство примерно 8090 процентов акции молодых динамично развивающихся компаний с большими перспективами роста. Когда вы нацелены на хорошую прибыль но не готовы принять на себя большие риски тогда...
40177. Финансовые риски, связанные с вложениями определение, классификация 32 KB
  Финансовые риски связанные с вложениями определение классификация. Финансовые риски связаны с вероятностью потерь финансовых ресурсов т. Под финансовыми рисками понимается вероятность возникновения непредвиденных финансовых потерь снижения прибыли доходов потери капитала и т. Финансовые риски подразделяются на три вида: 1.
40178. Дивидендная политика корпорации 22.5 KB
  Дивидендная политика корпорации Дивидендная политика политика акционерного общества в области распределения прибыли компании то есть распределения дивидендов между держателями акций. Дивидендная политика формируется советом директоров. Термин дивидендная политика в принципе связан с распределением прибыли в акционерных обществах. В связи с этим в финансовом менеджменте используется более широкая трактовка термина дивидендная политика под которой понимают механизм формирования доли прибыли выплачиваемой собственнику в соответствии с...
40179. Анализ и планирование в системе управления финансами предприятия 33 KB
  Анализ и планирование в системе управления финансами предприятия. это вопервых определение будущего предприятия и его структурных подразделений вовторых проектирование желаемых результатов деятельности предприятия и втретьих выбор методов и средств ресурсов и определение последовательности действий в достижении желаемых результатов. Последовательность планирования обычно такова: определение целей; моделирование будущего состояния предприятия; определение способов его достижения; декомпозиция заданных желаемых результатов...
40180. Сущность и назначение финансового анализа в организации. Оценка финансового состояния 26 KB
  Сущность и назначение финансового анализа в организации. Оценка финансового состояния Неотъемлемой частью финансовой работы на предприятии являются финансовый анализ и оценка финансового состояния предприятия. Основной целью финансового анализа является установление и определение финансового положения предприятия. Задачами анализа выступают: выявление произошедших за период изменений значений финансовых показателей; определение наиболее вероятных тенденций изменения финансового состояния предприятий; определение факторов влияющих на...
40181. Финансовое планирование на предприятии 35.5 KB
  Финансовое планирование на предприятии Финансовое планирование выбор целей по реальности их достижения с имеющимися финансовыми ресурсами в зависимости от внешних условий и согласование будущих финансовых потоков выражается в составлении и контроле за выполнением планов формирования доходов и расходов учитывающих текущее финансовое состояние выраженные в денежном эквиваленте цели и средства их достижения. В рыночной экономике финансовое планирование собственной деятельности может осуществляться отдельным индивидом семьёй организацией...