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

27 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

38766. Рынок чистой монополии 146.5 KB
  Для формирующегося рынка России характерна высокомонополизированная структура поддерживаемая созданием в последние годы различного рода концернов ассоциаций и других объединений одной из целей которых является поддержание высоких цен и обеспечение себе спокойного существования . Например для открытия коммерческого банка в России помимо установленного минимального размера уставного фонда требуется специальное разрешение Центрального банка РФ получить которое достаточно сложно. Развитие системы государственного регулирования естественных...
38767. Обследование хирургического больного 1.74 MB
  Следует также выяснить функцию различных систем организма в течение заболевания: сердечнососудистой боли в области сердца одышка сердцебиение отеки дыхательной кашель мокротаколичество запах цвет примеськрови пищеварительной тошнота отрыжка рвота стул нервной сон раздражительность головные боли мочевыделительной частота боль при мочеиспускании примесь крови. Усиленный рост волос на теле гипертрихоз наблюдается при расстройстве функций некоторых желез внутренней секреции в частности надпочечников а также...
38768. ТРАДИЦИОННЫЕ МУЗЫКАЛЬНЫЕ ИНСТРУМЕНТЫ В ИСТОРИКО-КУЛЬТУРНОМ И СИМВОЛИЧЕСКОМ КОНТЕКСТАХ (на примере русских гуслей) 190 KB
  К процессу развития гуслей и гусельного искусства в контексте отечественной культуры вполне приложимо понятие kehre предложенное М. Однако указанные выше характеристики не исчерпывают социальнокультурные смыслы и культурный потенциал гуслей. Предмет исследования – особенности бытования гуслей и гусельного искусства в отечественном историкокультурном социальнокультурном культурносимволическом пространствах.
38771. ЧЕРНАЯ МЕТАЛЛУРГИЯ В ОБЬ-ТОМСКОМ МЕЖДУРЕЧЬЕ В ЭПОХУ СРЕДНЕВЕКОВЬЯ 190.5 KB
  За последние 10 лет получены новые уникальные археологические материалы по черной металлургии в ходе исследований Шайтанского археологического микрорайона крупнейшего комплекса средневековых памятников ОбьТомского междуречья находящегося на юге Томской области в Кожевниковском районе. По общему объему свидетельств черной металлургии Шайтанский археологический микрорайон значительно превышает все остальные известные источники ОбьТомского междуречья. С появлением массива новых данных возникла настоятельная потребность в обобщении и анализе...
38773. Практика в Черкаських магістральних електричних мереж 264.5 KB
  Загальна характеристика об’єкту ПС 330 кВ Черкаська здійснює прийом перетворення розподіл передачу електричної енергії і представляє собою сукупність силового комутаційного і вимірювального обладнання об’єднаного електричною схемою по класам напруги включаючи комплекс пристроїв захисту автоматики вимірювання і керування. ПС має три класи напруги 330 110 і 10 кВ і являється понижуючою підстанцією з двома вторинними напругами. За місцем у системі електропостачання ПС Черкаси відноситься до системних підстанцій – це найпотужніші...