Кинематика и динамика поступательного движения (стр. 6 из 19)
Обработка результатов. Определение момента силы трения, действующей в системе
1. В идеальном случае все графики M=f(e) должны пересекаться в одной точке, лежащей на оси М. Координата этой точки дает значение момента силы трения. Для реальных же графиков, скорее всего, будет иметь место некоторый разброс в положении этой точки.
2. Определить по графику все значения момента силы трения и найти его среднее значение. Сравнить полученный результат с ранее измеренным в задании 1.
Задание 3. Сравнение измеренных и вычисленных значений моментов инерции
маятника
1. Выписывают в таблицу 2.4 отчета измеренные значения моментов инерции маятника.
2. Используя формулы для расчета моментов инерции геометрически правильных тел и теорему Гюйгенса – Штейнера, вычисляют моменты инерции шкивов, крестовины и грузов, вращающихся вокруг оси, не проходящей через их середину. Данные для расчета берут из «паспорта» прибора. Общий момент инерции маятника находится суммированием моментов инерции деталей маятника.
3. Сравнивают вычисленные и измеренные значения моментов инерции. Находят относительные отклонения вычисленных и измеренных моментов инерции:
.ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОМЕНТА ИНЕРЦИИ ИПРОВЕРКАТЕОРЕМЫ ГЮЙГЕНСА-ШТЕЙНЕРА
МЕТОДОМ КРУТИЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ
Цель работы
Экспериментальная проверка теоремы Гюйгенса – Штейнера и определение моментов инерции тел простой формы.
Идея эксперимента
В эксперименте используется связь между периодом колебаний крутильного маятника и его моментом инерции. В качестве маятника выбрана круглая платформа, подвешенная в поле тяжести на трех длинных нитях (трифилярный подвес). Платформа может совершать крутильные колебания вокруг вертикальной оси. На платформу помещаются тела различной формы, измеряются периоды колебаний маятника и определяются значения моментов инерции этих тел. Теорема Гюйгенса – Штейнера проверяется по соответствию между экспериментальной и теоретической зависимостями моментов инерции грузов от их расстояния до центра платформы.
Теория
Основное уравнение вращательного движения твердого тела вокруг неподвижной оси имеет вид 
, (3.1)где w - угловая скорость вращения, J – момент инерции тела относительно оси вращения, М – момент внешних сил относительно этой оси.
Теорема Гюйгенса – Штейнера. Если момент инерции тела относительно некоторой оси вращения, проходящей через центр масс, имеет значение J0, то относительно любой другой оси, находящейся на расстоянии а от первой и параллельной ей, он будет равен
, (3.2)где m– масса тела.
Для проверки теоремы Гюйгенса – Штейнера в данной работе исследуются крутильные колебания твердого тела на трифилярном подвесе. Трифилярный подвес представляет собой круглую платформу радиуса R, подвешенную на трех симметрично расположенных нитях одинаковой длины, укрепленных у ее краев (рис. 8). Наверху эти нити также симметрично прикреплены к диску несколько меньшего размера (радиуса r). Платформа может совершать крутильные колебания вокруг вертикальной оси ОО¢, перпендикулярной к ее плоскости и проходящей через ее центр. Такое движение платформы приводит к изменению положения ее центра тяжести по высоте.
Если платформа массы m, вращаясь в одном направлении, поднялась на высоту h, то
приращение ее потенциальной энергии будет равно
, (3.3)где g – ускорение силы тяжести. Вращаясь в другом направлении, платформа придет в положение равновесия (h = 0) с кинетической энергией, равной
, (3.4)где J – момент инерции платформы, w0 – угловая скорость вращения платформы в момент прохождения ею положения равновесия.
Пренебрегая работой сил трения, на основании закона сохранения механической энергии имеем:
. (3.5)Считая, что платформа совершает гармонические крутильные колебания, можно записать зависимость углового смещения платформы a от времени t в виде
, (3.6)где a - угловое смещение платформы, a0 – угол максимального поворота платформы, т.е. амплитуда углового смещения, Т – период колебания. Для угловой скорости w, являющейся первой производной по времени от величины смещения, можно записать
. (3.7)В моменты прохождения платформы через положение равновесия (t = 0, 0,5Т, …) величина w(t) будет максимальна и равна
. (3.8)Из выражений (3.5) и (3.8) следует, что
. (3.9)Если l длина нитей подвеса, R – расстояние от центра платформы до точек крепления нитей на ней, r – радиус верхнего диска (рис. 8), то легко видеть, что
(3.10)Так как
, (3.11)
а при максимальном отклонении платформы от положения равновесия
, (3.12)то
. (3.13)При малых углах отклонения a0значение синуса этого угла можно заменить просто значением a0. Учитывая также, что при R<<l величину знаменателя можно положить равной 2l, получаем
(3.14)При этом закон сохранения энергии (2.9) примет вид:
, (3.15)откуда следует, что
(3.16)По формуле (3.16) можно экспериментально определить момент инерции пустой платформы или платформы с телом, положенным на нее, так как все величины в правой части формулы непосредственно измеряются. Следует помнить, что m – это суммарная масса платформы и исследуемого тела, положенного на нее.
Экспериментальная установка
Вид установки показан на рис.8. Отношение радиуса платформы к длине нитей подвеса R/l< 0,05, что соответствует приближениям, используемым при выводе формулы (3.16).
Тела на платформу необходимо класть строго симметрично, так, чтобы не было перекоса платформы. Для облегчения определения положения грузов и более точной их установки на платформе нанесены радиальные линии и концентрические окружности на определенном расстоянии друг от друга (5 мм).
Вращательный импульс, необходимый для запуска крутильных колебаний, сообщается платформе путем поворота верхнего диска вокруг оси. Это достигается с помощью рычага, закрепленного на верхнем диске. При таком возбуждении почти полностью отсутствуют другие виды колебаний, наличие которых затрудняет измерения. При измерениях недопустимо пользоваться амплитудами колебаний, большими 10°.
Измерение времени колебаний может проводиться или с помощью ручного секундомера или с помощью таймера.
Проведение эксперимента
Задание 1. Измерение момента инерции пустой платформы
Измерения и обработка результатов
1. Момент инерции пустой платформы Jпл определяется по формуле (3.16). При этом период колебаний пустой платформы Ти его погрешность определяются на опыте, а величины l, R, r, mи их погрешности даются, как постоянные установки.
2. Сообщают платформе вращательный импульс и измеряют время tнекоторого числа (N = 15 –20) полных колебаний. Такие измерения повторяют 3 – 5 раз. Полученные результаты заносят в таблицу 3.1 отчета.
3. По экспериментальным данным для каждого опыта находят значение периода крутильных колебаний.
4. Находят среднее значение
и полную погрешность периода колебаний. При этом систематическая погрешность в измерении периода может быть взята равной 
.5. Вычисляют момент инерции платформы JплЭ . Находят величину относительной и абсолютной погрешности для момента инерции платформы.