- •И н с т р у к ц и я по технике безопасности при выполнении лабораторных работ
- •Погрешности результатов измерений
- •Лабораторная работа № 1 изучение законов кинематики и динамики поступательного движения
- •Краткая теория.
- •Описание экспериментальной установки
- •Измерения и обработка результатов
- •Контрольные вопросы и задания
- •Описание экспериментальной установки
- •Измерения и обработка результатов
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 3 изучение соударенИй шаров
- •Краткая теория
- •Описание экспериментальной установки
- •Измерения и обработка результатов
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа №4 изучение вращательного движения твердого тела
- •Краткая теория.
- •Описание экспериментальной установки
- •Измерения и обработка результатов
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 5 исследование упругой деформации и определение модуля юнга при растяжении
- •Краткая теория
- •Описание экспериментальной установки
- •Измерения и обработка результатов
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 6 изучение колебаний физического и математического маятников
- •Краткая теория
- •Описание экспериментальной установки
- •Измерения и обработка результатов
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 7 изучение собственных колебаний пружинного маятника
- •Краткая теория
- •Описание экспериментальной установки
- •Измерения и обработка результатов
- •Контрольные вопросы
- •Описание экспериментальной установки
- •Измерения и обработка результатов
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 9 определение скорости звука в воздухе и собственных частот воздушного столба
- •Краткая теория
- •Описание экспериментальной установки
- •Измерения и обработка результатов
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 10 изучение сложения колебаний
- •Краткая теория
- •Описание экспериментальной установки
- •Измерения и обработка результатов
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 11. Определение момента инерции шаров малого радиуса
- •Краткая теория
- •Описание экспериментальной установки
- •Измерения и обработка результатов
- •Контрольные вопросы
- •Описание экспериментальной установки
- •Измерения и обработка результатов
- •Контрольные вопросы
- •Литература
- •Приложение 1
- •Приложение2
Описание экспериментальной установки
Прибор для изучения зависимости момента инерции от массы и от распределения ее относительно оси вращения состоит из кронштейна, в подшипниках которого установлена ось испытуемого тела. На нее насажен блок цилиндрической формы с четырьмя взаимно-перпендикулярными стержнями. По стержням можно перемещать шары, благодаря чему можно изменять момент инерции испытуемого тела. На блок наматывается нить. Под действием груза, прикрепленного к концу нити, маховик приводится в равноускоренное вращение. Трение оси в подшипниках незначительно.
При вращении маховика на него действуют момент М силы натяжения нити и моментсилы трения, тормозящий вращение. Уравнение движения маховика записывается в виде:
(7)
где – угловое ускорение маховика, J – его момент инерции. Полный момент сил, действующих на маховик, можно считать постоянным, поэтому вращение маховика будет равноускоренным.
Момент силы натяжения нити, приложенный к блоку маховика , где r – радиус блока. Сила натяжения F нити находится из формулы второго закона Ньютона для опускающегося груза. Под действием силы тяжести Р и силы натяжения F, направленной вертикально вверх, груз опускается равноускоренно, так что, где m – масса груза, а –его ускорение. Отсюда сила натяжения нити равна, а момент силы
, (8)
где g – ускорение свободного падения.
Момент силы трения можно найти исходя из следующих соображений. Как только опускающийся на нити груз коснется опоры, нить с грузом соскальзывает с блока маховика, и дальнейшее вращение маховика происходит при действии только тормозящего момента силы трения, и уравнение движения маховика (7) теперь запишется так:
(9)
или
, (10)
где – максимальная угловая скорость маховика,– угловое ускорение маховика,– время вращения маховика после прекращения действия момента силы натяжения нити.
Угловую скорость выразим через касательное ускорение точек на ободе вала:
(11)
где t – время движения опускающегося груза. Касательное ускорение равно ускорению опускающегося груза а, т.е. , следовательно,
(12)
где h- высота, с которой опускается груз. Согласно уравнениям (11) и (12) угловую скорость можно выразить следующим образом:
. (13)
Угловое ускорение маховика при действии момента сил равно
. (14)
Подставив (13) в (10), найдем момент силы трения
. (15)
Подставив (13) в (8), получим выражение для момента силы натяжения нити:
. (16)
Уравнение движения маховика (7) с учетом (12), (15), (16) принимает вид:
, (17)
откуда момент инерции
. (18)
Формула (18) является расчетной для определения момента инерции маховика в данной работе.
Момент инерции маховика относительно оси вращения равен сумме моментов инерции блока и стержней и моментов инерции шаров на стержнях:
, (19)
где – момент инерции блока и стержней, когда грузы сняты со стержней,– момент инерции одного из грузов относительно оси вращения (все шары имеют одинаковые массы и располагаются симметрично на стержнях).
По теореме Штейнера момент инерции можно представить в виде:
, (20)
где – момент инерции шара относительно оси, параллельной оси вращения и проходящей через центр тяжести шара,– масса шара, R – расстояние от центра тяжести шара до оси вращения. Так как, то величинойможно пренебречь, и момент инерции маховика с шарами относительно оси вращения запишется так:
(21)
или
, (22)
откуда
. (23)
Из (23) следует, что момент инерции шаров определяется разностью нагруженного и ненагруженного маховика относительно оси вращения. Моменты инерции J и определяются из опыта.