Общие сведения Физические основы эксперимента

Лабораторная работа №4. Исследование вращательного движения твердого тела вокруг неподвижной оси

Цель работы: Проверка основного закона динамики вращательного движения. Определение момента инерции тела.

Описание лабораторной установкии оборудования

В лабораторной работе используется маятник Обербека (рисунок 1), комплект из 4 одинаковых цилиндров с винтами, секундомер, линейка для определения высоты, линейки – шаблоны, штангенциркуль, шесть гирек.

Вращающаяся часть маятника состоит из горизонтального вала, на который насажен шкив (1). На шкив намотана нить (2). К шкиву крепится толстостенная втулка с четырьмя спицами (3). На спицы можно надевать цилиндры (4) одинаковой массы, которые крепятся к спицам с помощью винтов. Нить перекинута через дополнительный шкив (6) и к нижнему концу нити привязано чашка (5), в которую помещают грузы различной массы (рисунок 1).

Общие сведения Физические основы эксперимента - student2.ru

Рис.1.

Общие сведения Физические основы эксперимента

Враща́тельное движе́ние – вид механического движения абсолютно твёрдого тела, при котором его точки описывают окружности, расположенные в параллельных плоскостях. Центры всех окружностей лежат при этом на одной прямой, перпендикулярной к плоскостям окружностей и называемой осью вращения. Ось вращения может располагаться внутри тела и за его пределами.

Угловая скорость – изменение углового пути в единицу времени:

Общие сведения Физические основы эксперимента - student2.ru ,

где Общие сведения Физические основы эксперимента - student2.ru - угловой путь (угол поворота тела вокруг своей оси). Вектор угловой скорости направлен по оси вращения в соответствие с правилом правого винта (буравчика).

Угловое ускорение Общие сведения Физические основы эксперимента - student2.ru- изменение угловой скорости тела в единицу времени:

Общие сведения Физические основы эксперимента - student2.ru .

Угловое ускорение Общие сведения Физические основы эксперимента - student2.ru связано с линейным ускорением Общие сведения Физические основы эксперимента - student2.ru :

Общие сведения Физические основы эксперимента - student2.ru , (1)

где Общие сведения Физические основы эксперимента - student2.ru - линейное ускорение,

Общие сведения Физические основы эксперимента - student2.ru -радиус кривизны траектории движения.

Общие сведения Физические основы эксперимента - student2.ru Моментом силы F относительно точки O(рисунок 2) называют вектор, равный векторному произведению радиус-вектора Общие сведения Физические основы эксперимента - student2.ru , который определяет положение точки приложения силы, на вектор силы Общие сведения Физические основы эксперимента - student2.ru :

Общие сведения Физические основы эксперимента - student2.ru .

Модуль вектора Общие сведения Физические основы эксперимента - student2.ru равен

Общие сведения Физические основы эксперимента - student2.ru (2).

Моментом силы относительно оси Zназывают проекцию на эту ось вектора Общие сведения Физические основы эксперимента - student2.ru , определенного относительно произвольной точки О данной оси (рисунок 2).

Момент инерции тела -это величина, характеризующая распределение масс в теле и являющаяся мерой инертности тела во вращательном движении. Моментом инерции тела относительно оси Z называется величина, определяемая равенством:

Общие сведения Физические основы эксперимента - student2.ru , (3)

где Общие сведения Физические основы эксперимента - student2.ru – расстояние от оси Общие сведения Физические основы эксперимента - student2.ru ,

Общие сведения Физические основы эксперимента - student2.ru массовая плотность,

Общие сведения Физические основы эксперимента - student2.ru объем тела.

Для точечного тела массой Общие сведения Физические основы эксперимента - student2.ru , вращающегося по окружности радиусом Общие сведения Физические основы эксперимента - student2.ru :

Общие сведения Физические основы эксперимента - student2.ru .

Момент инерции – величина аддитивная. Это означает, что момент инерции тела равен сумме моментов инерции его частей.

Момент импульса точечного тела – векторное произведение радиус-вектора Общие сведения Физические основы эксперимента - student2.ru , определяющего положение точки, на вектор импульса Общие сведения Физические основы эксперимента - student2.ru :

Общие сведения Физические основы эксперимента - student2.ru .

Для вращающегося твердого тела относительно оси вращения:

Общие сведения Физические основы эксперимента - student2.ru

Динамический закон, который используется для описания движения вращающегося тела, называется основным законом динамики вращательного движения. Он может быть записан следующим образом:

Общие сведения Физические основы эксперимента - student2.ru , (4.1)

Общие сведения Физические основы эксперимента - student2.ru , (4.2)

Общие сведения Физические основы эксперимента - student2.ru , (4.3)

где Общие сведения Физические основы эксперимента - student2.ru Общие сведения Физические основы эксперимента - student2.ru – суммарный (результирующий) момент сил, действующих на тело,

Общие сведения Физические основы эксперимента - student2.ru –- момент инерции вращающегося тела.

По существу основной закон динамики вращательного движения – это второй закон Ньютона, записанный через кинематические и динамические характеристики вращательного движения для вращающегося тела.

Проверка соотношений (4) может быть проведена экспериментально с помощью маятника Обербека.

Если в чашку 5 (рисунок 1) положить груз массой Общие сведения Физические основы эксперимента - student2.ru , то под действием силы натяжения нити Общие сведения Физические основы эксперимента - student2.ru начнет вращаться с ускорением Общие сведения Физические основы эксперимента - student2.ru , а груз двигаться вниз с ускорением Общие сведения Физические основы эксперимента - student2.ru . Для равноускоренного движения

Общие сведения Физические основы эксперимента - student2.ru ,

где Общие сведения Физические основы эксперимента - student2.ru – расстояние, которое проходит груз от начальной(самой верхней) точки движения, до конечной (самой нижней) точки, когда нить полностью размотается со шкива 1 (рисунок 1),

Общие сведения Физические основы эксперимента - student2.ru – время движения груза.

Тогда угловое ускорение маятника: Общие сведения Физические основы эксперимента - student2.ru

Общие сведения Физические основы эксперимента - student2.ru , (5)

где Общие сведения Физические основы эксперимента - student2.ru – радиус шкива.

Второй закон Ньютона для груза m в проекциях на вертикальную ось:

Общие сведения Физические основы эксперимента - student2.ru .

Отсюда Общие сведения Физические основы эксперимента - student2.ru и момент силы натяжения нити, действующей на маятник:

Общие сведения Физические основы эксперимента - student2.ru (6)

В оси маятника действует сила трения, которая создает тормозящий момент Общие сведения Физические основы эксперимента - student2.ru (остальными силами сопротивления, например аэродинамическими, действующими на все тела маятника, будем пренебрегать). Действие силы трения ведет к уменьшению механической энергии маятника. Поэтому после достижения грузом самой нижней точки, он движется замедленно вверх (т.к. маятник по инерции вращается) и поднимается на высоту Общие сведения Физические основы эксперимента - student2.ru (в момент остановки маятника). Причем Общие сведения Физические основы эксперимента - student2.ru < Общие сведения Физические основы эксперимента - student2.ru . Уменьшение потенциальной энергии груза за все время движения Общие сведения Физические основы эксперимента - student2.ru равно работе силы трения Общие сведения Физические основы эксперимента - student2.ru , где Общие сведения Физические основы эксперимента - student2.ru -угловой путь, пройденный маятником: Общие сведения Физические основы эксперимента - student2.ru .

По закону сохранения энергии: Общие сведения Физические основы эксперимента - student2.ru . Откуда

Общие сведения Физические основы эксперимента - student2.ru (7)

Суммируя выражения (6) и (7) найдем результирующий момент сил, действующих на маятник:

Общие сведения Физические основы эксперимента - student2.ru (8)

Условия проведения эксперимента на маятнике Обербека в данной лабораторной работе таковы, что в последнем выражении дробь Общие сведения Физические основы эксперимента - student2.ru (несколько сотых долей %). Поэтому если ей пренебречь, то упрощенно результирующий момент сил может быть найден как

Общие сведения Физические основы эксперимента - student2.ru (8´)

Из (4) следует, что если разделить (8) на (5), то можно найти выражение для определения момента инерции вращающегося маятника:

Общие сведения Физические основы эксперимента - student2.ru (9)

Таким образом, выражения (5), (8), (9) позволяют найти экспериментально на маятнике Обербека все основные физические величины, входящие в основной закон динамики вращательного движения.

Наши рекомендации