3829

Определение момента инерции маятника Обербека

Лабораторная работа

Физика

Определение момента инерции маятника Обербека Цель работы: изучить вопросы динамики поступательного и вращательного движения, определить момент инерции специального тела – маятника Обербека. Оборудование: лабораторная установка в комплект...

Русский

2012-11-08

109.5 KB

128 чел.

Определение момента инерции маятника Обербека

Цель работы: изучить вопросы динамики поступательного и вращательного движения,  определить момент инерции специального тела – маятника Обербека.

Оборудование: лабораторная установка в комплекте с секундомером, штангенциркуль.

Теория вопроса.

Движение твердого тела, при котором все точки прямой, жестко связанной с телом, остаются неподвижными, называется вращением тела вокруг неподвижной оси. Прямая называется осью вращения.

Движение твердого тела, при котором только одна его точка 0 остается неподвижной, называется движением (вращением) твердого тела вокруг неподвижной точки.

Кинематической характеристикой движения служит угловая скорость тела, равная отношению вектора элементарного угла поворота тела к продолжительности этого поворота

.         (1)

Вектор, характеризующий быстроту изменения скорости тела, называют угловым ускорением

.         (2)

Вращательное действие силы F, вызывающей изменение угловой скорости, характеризуется моментом силы.

Моментом силы F относительно точки 0 называется физическая величина, определяемая векторным произведением радиус-вектора r, проведенного из точки 0 в точку приложения силы, на силу F

.        (3)

Моментом силы  относительно оси Z называют проекцию на эту ось вектора момента силы относительно любой точки, выбранной на данной оси. Значение момента  не зависит от выбора положения точки 0 на оси Z.

Если тело вращается вокруг неподвижной оси Z, то момент силы  и угловое ускорение  связаны соотношением:

,         (4)

где J – момент инерции тела относительно оси вращения.

Момент инерции относительно некоторой оси равен сумме произведений всех материальных точек, образующих механическую систему, на квадраты их расстояний  от данной оси

.  

Твердое тело нужно рассматривать как механическую систему, масса которой непрерывно распределена по всему объему тела, так что момент инерции тела

.        (5)

Подсчет момента инерции тела относительно произвольной оси облегчается применением теоремы Штейнера: момент инерции тела J относительно любой оси равен сумме момента инерции  относительно оси, параллельной данной и проходящей через центр масс тела, и произведения массы тела на квадрат расстояния a между осями

.        (6)

Уравнение (4) представляет собой уравнение динамики вращательного движения твердого тела относительно неподвижной оси.

Выведем рабочую формулу для определения момента инерции тела на основе уравнения динамики вращательного движения. Угловое ускорение тела связано с тангенциальным ускорением точек, находящимся на расстоянии R от оси вращения, выражением:

.         (7)

Так как нить нерастяжима и невесома, ускорение a, в свою очередь, получим из выражения:

,         (8)

где h – линейный путь гири за время ее движения t.

Подставим (8) в (7), найдем угловое ускорение тела:

.         (9)

В маятнике Обербека вращающий момент создается привязанной к шкиву на нити опускающейся гирей и равен произведению силы натяжения нити T на радиус шкива R:

.         (10)

Найдем силу натяжения нити. На подвешенную к нити гирю массой m действуют сила натяжения нити T и сила тяжести mg. Согласно второму закону Ньютона

.        (11)

Так как сила натяжения нити T, действующая на гирю, направлена вверх, а сила тяжести и ускорение нити – вниз по нити, то, спроектировав (10) на ось, направленную по нити вниз, получим

.        (12)

Подставив (12) в (10), получим

       (13)

или с учетом (8):

.       (14)

Подставляя (13) и (8) в (14), находим момент инерции:

.       (15)

Проведя преобразования, окончательно получим

.       (16)

Измерение и обработка результатов.

Задание 1: определение момента инерции маятника Обербека.

D

R

h

Положение грузов

t

J

м

м

м

п/п

с

с

0,6

Верхнее

1

17,23

17,65

0,01

0,008

2

17,65

3

18,07

Среднее

1

13,23

13,07

0,006

2

12,99

3

12,99

Нижнее

1

8,43

8,49

0,002

2

8,59

3

8,45

;          ;

;  ;

;

;

;

Задание 2: проверка теоремы Штейнера.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

65333. ДЕРЖАВНИЙ КОНТРОЛЬ В СИСТЕМІ УПРАВЛІННЯ ЗАГАЛЬНООСВІТНІМИ НАВЧАЛЬНИМИ ЗАКЛАДАМИ 611 KB
  Україна проходить складний і незворотний шлях державного та громадянського становлення. Реалізується стратегія забезпечення прискореного та випереджального розвитку освіти і науки, створюються умови для самоствердження...
65334. Створення генетичних джерел групової расоспецифічної стійкості проса до сажки (Sorosporium destruens (Schlecht) Yanki) 329 KB
  Актуальність теми обумовлена обмеженістю в існуючому світовому генофонді проса генетичних джерел стійкості до окремих рас сажки та відсутністю джерел одночасної стійкості до різних груп патотипів збудника цього захворювання.
65335. Розвиток і реалізація технології, методів розрахунку й управління параметрами процесів виробництва холоднокатаних штаб із високою площинністю та якісною поверхнею 1.08 MB
  Інтенсифікація швидкісних режимів холодної прокатки й зменшення середньої товщини холоднокатаних штаб у сортаменті більшості станів посилили вплив динамічного і температурного факторів процесу на показники якості готових штаб.
65336. Обґрунтування параметрів транспортно-технологічних схем проведення дільничних виробок при розширенні меж шахтних полів 1.73 MB
  Проблема доробки запасів біля меж шахтних полів особливо актуальна для шахт Західного Донбасу, виробничі потужності яких обмежені порівняно низькою вугленосністю родовища, нерівномірним розповсюдженням робочої потужності пластів...
65337. УПРАВЛІННЯ ЯКІСТЮ ПРОФЕСІЙНОГО НАВЧАННЯ ДЕРЖАВНИХ СЛУЖБОВЦІВ В УКРАЇНІ: ТЕОРЕТИКО-ОРГАНІЗАЦІЙНИЙ АСПЕКТ 237.5 KB
  Успіх перетворень залежить насамперед від професіоналізму державних службовців їх ефективної діяльності на всіх рівнях управління практичного впровадження ними інноваційних форм і методів роботи. Вирішення проблеми можливе за умови системного підходу...
65338. ДОСЛІДЖЕННЯ ПРОЦЕСУ ТА РОЗРОБКА ТЕХНОЛОГІЇ ЕЛЕКТРОШЛАКОВОГО ЛИТТЯ КОРПУСІВ ФЛАНЦЕВОЇ АРМАТУРИ ВИСОКОГО ТИСКУ 7.98 MB
  Метою роботи було розв’язання важливої народногосподарської задачі що полягає в створенні в Україні ефективного промислового виробництва високоякісних заготовок корпусів фланцевих засувок для видобутку нафти і природного газу з великих глибин методами електрошлакової технології.
65339. Оптимізація керування рухом судна в штормових умовах 556 KB
  Незважаючи на певні досягнення в теорії та практиці управління судном, погодні умови, як і раніше, залишаються одним з найбільш значущих факторів, що безпосередньо впливають на економічну ефективність та безпеку судноплавства.
65340. Формування субмікрокристалічної структури і властивостей металів методами комбінованої пластичної деформації 8.16 MB
  Аналіз стану питання показує, що одним із перспективних напрямків досліджень є вивчення впливу комбінованої пластичної деформації зі зсувом на формування структури і комплексу механічних властивостей металевих матеріалів.
65341. Розрахунок плитних фундаментів на в’язкопружній основі під впливом статичних і динамічних навантажень 440 KB
  Таким чином проблема побудови необхідних для визначення напруженодеформованого стану стінчастих фундаментів аналітичних розв’язків є актуальною і потребує вирішення. Методи дослідження: застосування та розвинення аналітичних методів розрахунку основну роль...