Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

.doc
Скачиваний:
46
Добавлен:
01.05.2014
Размер:
109.06 Кб
Скачать

Лабораторная работа № 1

Соударение шаров

1.1 Цель работы

Изучение времени столкновения, скорости, силы удара и сохранения энергии при центральном ударе шаров из различных металлов.

1.2 Оборудование

Комплекс ЛКМ-8, комплект шаров диаметром 41,3 мм: стальной шар (масса 286,3 г) –2 шт.; алюминиевый шар (масса 96,6 г) – 2 шт.; латунный шар (масса 281,7 г) – 2 шт.

1.3 Метод измерений

На основании законов сохранения импульса и энергии по прямым измерениям угла отклонения шаров и времени их соударения, определяют скорость, силу удара шаров и потерю энергии при их соударении.

1.4 Подготовка к работе

В ходе самостоятельной подготовки к выполнению лабораторной работы студенты знакомятся с теоретической частью (п.1.5) настоящего методического указания. Кроме того, ими подготавливается бланк отчета по лабораторной работе, содержащий титульный лист (приложение А), цель работы (п.1.1), краткое описание экспериментального оборудования (п.1.2) и письменные ответы на контрольные вопросы (1.8) с использованием теоретической части (п.1.5) и рекомендуемой литературы (п.1.9).

1.5 Теоретическая часть

Удар – кратковременное взаимодействие тел при их столкновении, приводящее к значительному изменению параметров их движения. Промежуток времени, в течение которого происходит удар, обычно очень мал (10-3 – 10-6 с). Во время удара тела деформируются. В зоне контакта возникают так называемые ударные силы, что приводит к значительным изменениям скоростей точек соударяющихся тел. Следствием удара могут быть остаточные деформации, звуковые колебания, нагревание тел, изменение механических свойств их материалов, а при скоростях соударения больших, так называемых критических, наблюдается разрушение тел в месте удара. Характер протекания удара существенно зависит от модуля упругости, твердости, вязкости и других свойств материала соударяющихся тел, размеров и массы тел.

В данной работе рассматривается упругий центральный удар двух шаров из различных металлов, закрепленных в пружинных держателях кронштейнов. При соударении таких шаров выполняются законы сохранения кинетической энергии и импульса:

, (1.1)

. (1.2)

где и - скорость шаров до столкновения;

и - скорости шаров после столкновения.

Если один из шаров отклонить на угол  от положения равновесия и отпустить, то скорость его перед соударением будет равна:

, (1.3)

где h – высота поднятия шара.

Причем

. (1.4)

Тогда:

. (1.5)

где l – расстояние от центра подвеса шара до центра масс шара.

Изменение энергии при соударении шаров:

(1.6)

где  - первоначальный угол отклонения первого шара;

1 и 2 – углы отклонения шаров после соударения.

1.6 Устройство и принцип работы

Общий вид установки приведен на рисунке 1.1. Шары 7 вставляются в пружинные держатели 5. Держатели имеют крючки, которыми они подвешиваются к осям 4.2 подвеса. Расстояние центра шара от оси подвеса равно 300  1 мм. Кронштейн 4.3 отклоняется на заданный угол и слегка зажимается винтом 4.3а. Держатель маятника отклоняется на несколько больший угол, головка спускового устройства 4.3б поворачивается так, чтобы соединенный с ней штырь расположился горизонтально, после чего держатель шара опускается на этот штырь. Для отпускания шара нужно повернуть головку спускового устройства на 900, стараясь не вызвать колебаний стойки.

Настройка. Установите кронштейн 4.1 риской на нулевое деление шкалы. Регулировочными винтами ножек установки (позиция 1.1 на рисунке 1.1) добейтесь того, чтобы держатель шара едва касался своим стержнем штыря спускового устройства.

Время удара определяется по времени электрического замыкания шаров при ударе. Кабель 8 и 9 подключается штекерами к осям подвеса. Другой конец кабеля подключается к специальному входному разъему измерительной системы ИСМ - 4.

ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ИСМ-4 (позиция 2 на рисунке 1.1) обеспечивает измерение интервалов времени между заданными событиями.

Прибор выполнен в виде электронного блока в пластмассовом корпусе. Органы управления и индикации вынесены на переднюю панель измерительной системы ИСМ-4(рисунок 1.2).

Измерение времени выполняется электронным секундомером. Он содержит генератор таковых импульсов с периодом 0,1 мс, 1 мс или 10 мс, счетчик этих импульсов и четырехразрядный индикатор.

Рисунок 1.2

Результат считывается с дисплея (рисунок 1.2, позиция 1).

Источниками сигнала для таймера является:

- датчики, подключаемые к разъемами на задней панели;

- кнопка «РУЧН» ручного секундомера.

Состояние датчиков отображается индикаторами (позиция 2 на рисунке 1.2). Индикатор светится при низком потенциале на выходе соответствующего датчика. Если на выходе высокий потенциал или датчик не подключен, то индикатор погашен.

Кнопка "РУЧН" дает положительный перепад напряжения при нажатии. Каждое срабатывание таймера (прохождение сигнала ПУСК или СТОП) отображается звуковым сигналом динамика (позиция 4 на рисунке 1.2). Разрешение таймера выбирается тумблером (позиция 3 на рисунке 1.2) и может быть равным 0,1 мс, 1 мс или 10 мс = 0,01 с.

Управление алгоритмом измерений.

"ЦИКЛ/ОДНОКР" – тумблер выбора числа измерений:

  • нижнее положение рукоятки – "ЦИКЛ" (режим циклических измерений) – система реагирует на все поступающие сигналы запуска и остановки секундомера;

  • верхнее положение рукоятки –"ОДНОКР" (режим однократного измерения) – система производит однократное измерение и после записи первого результата в индикатор перестает реагировать на поступающие сигналы.

"1/2" – тумблер парных измерений:

  • нижнее положение рукоятки – "1" – регистрируется значение каждого интервала времени (например, продолжительность каждого оборота стола);

  • верхнее положение рукоятки – "2" – регистрируется суммарное значение двух последовательных интервалов времени (например, продолжительность двух оборотов стола).

При нажатии кнопки "ГОТОВ" схема измерений приводится в состояние готовности к измерениям (это важно лишь при однократных измерениях), и вырабатывается сигнал "УСТ.0", который обнуляет счетчик и индикатор. Отсчет времени начнется при поступлении первого сигнала ПУСК.

1.7 Методика проведения эксперимента

1.7.1 Определение скорости и времени соударения шаров.

1.7.1.1 Установить подвижный кронштейн на нужный угол  начального отклонения подвеса (50, 100, 150, 250, 350).

1.7.1.2 Зацепить подвес шара за пусковое устройство.

1.7.1.3. Нажать кнопу "ГОТ".

1.7.1.4. Повернув головку спускового устройства, освободить шар.

1.7.1.5. Прочитать время удара на дисплее таймера. При разрешении таймера 0,1 мс и включенном блоке "Х100" значащие цифры показаний дают время удара в микросекундах.

1.7.1.6. Повторить опыт пять раз для каждого угла .

1.7.1.7. Рассчитать погрешности [2]

1.7.1.8. Результаты измерений и вычислений записать в таблицу 1.1

1.7.2. Определение потерь энергии при ударе.

1.7.2.1 Для определения потерь энергии при ударе измерить угол начального отклонения правого шара и угол максимального отклонения левого шара. Последний определить как разность показаний указателя максимального отклонения, соответствующих свободно висящему и отклоненному держателю левого шара.

1.7.2.2 Рассчитать изменение энергии при ударе по формуле (1.6)

1.7.2.3 Данные занести в таблицу 1.2

Таблица 1.1

, град

50

100

150

250

3500

v, м/с

,мкс

1

2

3

4

5

<>

i

1

2

3

4

5

сл

сл (принять значение надежности  = 0,95)

Таблица 1.2

Первый шар

Левый шар

Начальный угол отклонения правого шара

, град

Угол отклонения правого шара после удара

1 , град

Угол отклонения левого шара после удара

2, град

W

Сталь

Сталь

Латунь

Латунь

Алюминий

Алюминий

1.7.2.4 Сделать выводы по работе.

1.8 Контрольные вопросы

1. Какие законы сохранения выполняются при упругом ударе?

2. Чем отличается абсолютно упругий удар от абсолютно неупругого?

3. Какой удар называется центральным?

4. Как изменяется кинетическая энергия шаров и их относительная скорость при различных видах удара: абсолютно упругом и абсолютно неупругом?

5. Определить изменение температуры при соударении шаров.

1.9 Рекомендуемая литература

1. [1], с.75-87, 103-105.

2. [2],с.487-496.