- •Пенза 2003 удк 531.23
- •Теоретическое введение
- •Описание лабораторной установки
- •Методика эксперимента
- •Задание 1. Определение расчетного значения момента инерции Порядок выполнения задания на лабораторной установке:
- •Порядок выполнения задания на компьютерном имитаторе:
- •Задание 2. Экспериментальное определение момента инерции Порядок выполнения задания на лабораторной установке:
- •Библиографический список
- •Порядок выполнения задания на компьютерном имитаторе:
- •Контрольные вопросы
Описание лабораторной установки
Внешний вид
лабораторной установки представлен
на рис. 1. Маятник Обербека состоит из
двух стержней 1 длиной
и массой
,
закрепленных на валу 2 так, что ось
вращения проходит через центр тяжести
системы. На концах стержней укреплены
четыре одинаковых груза 3 массой
на расстоянии
от оси вращения. На валу 2 имеются два
барабана 4 радиусами
и
,
на которые наматывается шнур 5. Шнур
перекинут через ролик 7. К свободному
концу шнура прикрепляется гиря 6 массой
.
Вал 2 свободно вращается благодаря
подшипникам, закрепленным в раме
установки.

Рис. 1
Вращая маятник
Обербека, наматывают шнур 5 на барабан
4. При этом гиря 6 поднимается на некоторую
высоту
.
Если освободить систему, то гиря под
действием силы тяжести будет опускаться
вниз. Сила натяжения нити передается
барабану и создает вращающий момент,
под действием которого маятник начинает
вращаться. Время падения гири определяется
по секундомеру, высота падения
– линейкой, размеры деталей маятника
– штангенциркулем.
Методика эксперимента
В ходе эксперимента проверяется основной закон динамики вращательного движения путем сравнения расчетного и экспериментально полученного значений момента инерции маятника Обербека.
Расчетное значение момента инерции маятника получают как сумму моментов инерции всех его деталей:
, (12)
где
– момент инерции груза;
–момент инерции
стержня.
Пренебрегая размерами груза по сравнению с радиусом вращения и используя формулу (6), найдем момент инерции груза относительно оси вращения:
, (13)
где
– масса груза;
–расстояние от
центра груза до оси вращения.
Из рис. 1 видно, что расстояние от центра груза до оси вращения
, (14)
где
– длина стержня;
–длина груза.
Момент инерции
стержня
относительно оси, проходящей через
центр тяжести, определяется формулой
(4):
, (15)
где
– масса стержня.
Подставляя выражения (13) и (15) в уравнение (12), получим, что расчетное значение момента инерции маятника Обербека можно вычислить по формуле
. (16)
Для получения
экспериментального значения момента
инерции маятника Обербека рассмотрим
действие сил, вызывающих его вращение.
На маятник действуют сила тяжести, сила
реакции опор подшипников и сила натяжения
нити. Кроме того, со стороны подшипников
на вращающуюся ось действуют силы
трения. Сила тяжести и сила реакции
опор, проходя через ось вращения,
вращающих моментов не создают. Сила
натяжения нити Fпередается ободу барабана и создает
вращающий моментМ. Силы трения
создают тормозящий момент
,
препятствующий вращению маятника
(рис. 2а).
Под действием постоянных вращающего и тормозящего моментов маятник Обербека будет вращаться равноускоренно с угловым ускорением . Основной закон динамики его вращательного движения, согласно уравнению (11), запишется в виде
. (17)
Вращающий момент связан с силой натяжения нити и радиусом барабана соотношением
. (18)
Для нахождения силы натяжения нити решим задачу динамики поступательно движущейся гири. На нее действуют две силы: сила тяжести mg, направленная вертикально вниз, и сила натяжения нитиF, направленная вертикально вверх (рис. 2б). В соответствии со вторым законом Ньютона имеем
mg +F =ma.(19)
а б

Рис. 2
Проецируя уравнение (19) на ось Y, получим:
,
(20)
где
– ускорение свободного падения.
Ускорение гири
можно определить из формулы пути
равноускоренного падения без
начальной скорости:
,
откуда
. (21)
Из уравнений (20) и (21) получим, что сила натяжения нити
, (22)
а вращающий момент
. (23)
Как известно,
угловое ускорение связано с линейным ускорение
простым соотношением
(24)
и, используя уравнение (21), для него получим:
. (25)
Таким образом, измерив высоту и время падения гири, можно по формулам (23) и (25) вычислить вращающий момент и угловое ускорение для каждой серии опытов.
Используя разные
гири и барабаны, можно изменять вращающий
момент. Момент инерции маятника –
величина постоянная. Тормозящий момент
от условий эксперимента зависит слабо,
и его, в первом приближении, также можно
считать постоянным. Это обстоятельство
позволяет установить функциональную
зависимость вращающего момента
от углового ускорения маятника Обербека.
Представим ее в виде линейной функции
. (26)
Константы, входящие в формулу (26), определим, воспользовавшись методом наименьших квадратов и экспериментальными данными:
, (27)
, (28)
где
, (29)
здесь iи
– экспериментальные значения углового
ускорения и вращающего момента,
полученные вi-й серии опытов;
–число серий
опытов (в табл. 2а
=4).
Сравнивая уравнения
(17) и (26), видим, что константа
имеет смысл момента инерции, а константа
– смысл тормозящего момента.
Поэтому можно положить, что
, (30)
. (31)
Близость величины
к расчетному значению момента инерции
подтверждает справедливость основного
закона динамики вращательного
движения. Что же касается величины
тормозящего момента, то для
обеспечения высокой точности результатов
эксперимента должно выполняться
неравенство
.
Соотношение этих двух величин позволяет,
с одной стороны, ограничить снизу
диапазон масс гирей, а, с другой стороны,
оценить техническое состояние
экспериментальной установки.
