![](/user_photo/2706_HbeT2.jpg)
- •Глава 1: уравнение динамики вращательного движения
- •Глава 2: гироскоп. Прецессия гироскопа.
- •Глава 3: маятник максвелла.
- •Глава 4 качение тела по наклонной плоскости.
- •Глава 5: крутильные колебания.
- •Глава 6: крутильный баллистический маятник.
- •Экспериментальная часть
- •1.Проверка основного закона динамики вращательного движения.
- •2. Определение угловой скорости прецессии гироскопа
- •3. Изучение движения маятника максвелла.
- •4. Изучение качения тел по наклонной плоскости.
- •5. Определение моментов инерции тел методом крутильных колебаний
- •6. Определение скорости пули с помощью баллистического маятника.
Глава 2: гироскоп. Прецессия гироскопа.
Рассмотрим некоторые примеры вращательного движения твердого тела. В современных навигационных приборах, используемых в авиации и космонавтике, широкое применение находят гироскопы. Гироскопом называется осесимметричное твердое тело, вращающееся с большой угловой скоростью вокруг своей оси симметрии. Гироскоп называют уравновешенным (или свободным), если его центр масс остается неподвижным при любых изменениях ориентации его оси в пространстве. Иначе говоря, его центр масс совпадает с точкой опоры. Такой гироскоп называют гироскопом с одной закрепленной точкой.
Рассмотрим движение гироскопа с одной закрепленной точкой, схематически изображенном на рис 1. Для описания движения гироскопа удобно использовать уравнение движения в форме:
(2.1)
Если
момент внешних сил М=0, ось гироскопа
сохраняет свою ориентацию в пространстве,
а сам гироскоп вращается с постоянной
угловой скоростью
.
А его момент импульса L
равен
,
где J-
момент инерции гироскопа относительно
оси симметрии.
Рис.
1
Если
к оси гироскопа приложить силу ,
направленную вертикально вниз, возникает
момент силы
,
лежащий в горизонтальной плоскости и
ориентированный перпендикулярно вектору
.
В соответствии с законом динамики
вращательного движения (2,1) изменение
вектора момента импульса
,
имеет такое же направление, как и вектор
.
Таким образом, в результате действия
момента силы в основном происходит
изменение ориентации вектора
,
т.е. происходит вращение вектора
в горизонтальной плоскости.
Угол
поворота вектора
можно представить в виде:
(2.2)
Используя это соотношение можно найти угловую скорость вращения оси гироскопа:
(2.3)
Взаимная
ориентация векторов,
и
определяется
векторным соотношением:
Поскольку
вектор
поворачивается
вместе с
,
а их взаимное расположение не меняется
со временем, то под действием постоянной
по величине силы
ось гироскопа будет вращаться с постоянной
угловой скоростью
.
Такое движение называют прецессией, а
величину
— угловой скоростью прецессии. Все
приведенные рассуждения справедливы
для гироскопа вращающегося с большой
угловой скоростью, т.е. при условии
или
.
Глава 3: маятник максвелла.
Маятник Максвелла представляет собой диск, жестко насаженный на ось, с помощью двух нитей прикрепленный к неподвижной опоре. Нити крепятся к оси и опоре таким образом, чтобы ось располагалась горизонтально. Для приведения маятника в движение необходимо вращая ось, поднять маятник в верхнее исходное положение и отпустить. Сложное движение маятника можно представить как наложение двух движений: поступательного движения центра масс и вращение относительно оси, проходящей через центр масс. На рис.2 представлена схема маятника Максвелла и действующие на него силы.
Здесь—это
суммарная сила натяжения двух нитей,
—сила тяжести. Уравнение динамики
поступательного движения запишем в
виде:
(3.1)
Если
рассматривать вращение маятника
относительно оси, проходящей через
центр масс, момент силы тяжести будет
равен нулю, а момент силы натяжения нити
,
где r—
радиус стержня, на который наматываются
нити. Поэтому закон динамики вращательного
движения представится в виде:
(3.2)
где
-
момент инерции маятника относительно
оси, проходящей через центр масс,
— угловое ускорение. Поскольку нити не
проскальзывают относительно стержня,
эти два движения взаимно связаны. Связаны
между собой линейное перемещение центра
масс и угол поворота маятника, линейная
и угловая скорости, а также линейное и
угловое ускорения. Причем ускорения
связаны простым соотношением:
Решая систему уравнений (3.1),(3.2) и (3.3), найдем ускорение центра масс маятника:
(3.4)
Полученное соотношение показывает, что маятник будет двигаться с постоянным ускорением центра масс, поэтому расстояние, на которое опустится центр масс, ускорение и время движения связаны известным соотношением:
(3.5)
Решая совместно систему уравнений (3.4) и (3.5) можно найти момент инерции маятника:
(3.6)
В нижнем положении маятника, когда нити полностью разматываются, происходит скачкообразное изменение линейной скорости по направлению. Угловая скорость в момент прохождения нижнего положения не изменяется ни по величине, ни по направлению. После прохождения нижнего положения маятник будет двигаться вверх. Если бы в системе не действовали силы трения, маятник поднялся бы на ту же самую высоту. За такое же время. Далее ' этот процесс будет периодически повторятся, что и позволило назвать такую систему маятником.