Глава іі. Лабораторні роботи з основного курсу фізики Розділ 1. Механіка. Лабораторна робота № 1.1.Визначення залежностi моментуiнерцiї системи вiд розподiлу її маси вiдносно осi обертання

Мета роботи − вивчити основний закон динаміки обертового руху; встановити залежність моменту інерції системи від розподілу її маси відносно осі обертання.

Вказівки до виконання роботи

Для виконання роботи необхідно вивчити такий теоретичний матеріал: обертовий рух абсолютно твердого тіла; кутова швидкість та кутове прискорення, їх зв’язок з лінійною швидкістю та лінійним прискоренням; момент сили; момент інерції тіла відносно нерухомої осі; закон динаміки обертового руху абсолютно твердого тіла відносно нерухомої осі.

[1, т.1 §§ 1.2–1.5, 2.2–2.5, 2.9, 4.1–4.3; 2, §§ 1–7, 16, 18; 3, §§ 1.1–1.4, 2.2, 2.5, 2.7, 2.16; 4, т.1 §§ 1, 3, 4, 7–9, 11, 13, 29, 39]

В даній лабораторній роботі застосовують непрямий метод визначення моменту інерції системи, що ґрунтується на законі динаміки обертового руху:

, (1.1.1)

де − кутове прискорення системи; − момент сили; − момент інерції.

Момент інерції є величина адитивна, тому момент інерції твердого тіла дорівнює сумі моментів інерції всіх елементарних частинок цього тіла:

. (1.1.2)

Робота виконується на установці (рис. 1.1.1), що складається із хрестовини, жорстко зв’язаної з нерухомим блоком радіуса . На хрестовині можуть закріплюватись на різних відстанях R від осі обертання тягарця m₁. На блок намотується нитка, один кінець якої закріплений на блоці, а до іншого прив’язано вантаж масою m. Коли описаній системі тіл надати свободу, вантаж m почне опускатися, а блок з хрестовиною i тягарцями − обертатися навколо нерухомої осі. На вантаж діють сила тяжіння i сила натягу нитки. Під дією цих сил вантаж рухатиметься зі сталим прискоренням. Обертання блока, якщо знехтувати тертям на осі, викликає момент сили, модуль якої за третім законом Ньютона дорівнює модулю сили . Плечем сили буде радіус блока , тому момент сили:

. (1.1.3)

Для визначення сили F^/=F записують динамічне рівняння руху вантажу m. Використовуючи зв’язок кутового прискорення  з лінійним прискоренням i виражаючи останнє через висоту h i час опускання вантажу , з (1.1.1) із урахуванням (1.1.3) можна одержати формулу для визначення моменту інерції системи тіл, що обертається:

. (1.1.4)

Оскільки величина (у чому можна переконатися безпосередніми підрахунками), то формула (1.1.4) набуває більш простого вигляду:

. (1.1.5)

Момент інерції системи J складається з моменту інерції блока з хрестовиною J₀ i моменту інерції J^/ тягарців m₁, закріплених на хрестовині. Якщо вважати тягарці точковими масами, у випадку симетричного їх розташування відносно осі обертання можна записати:

, (1.1.6)

де R – відстань тягарців від осі обертання.

З(1.1.6) випливає лінійна залежність міжJ та R². Визначивши момент інерції системи для різних значень R, можна побудувати графік залежності J = f (R²) (рис. 1.1.2).

Для більш точного вимірювання часу опускання вантажу, в установці використовується електронний секундомір, який фіксує тривалість руху.