Определение модуля сдвига с помощью пружинного маятника.
Рассмотрим кручение при деформации цилиндрической пружины.
На рис.7.4 цилиндрическая пружина диаметром
и длиной
, подверженная растяжению до длины
двумя равными и противоположно направленными вдоль ее оси силами
. Будем рассматривать пружину, как винтовую линию с пренебрежимо малым шагом, таким, что каждый ее виток перпендикулярен силам, действующим на пружину. Момент сил, действующий в любом сечении витка пружины в таком случае является постоянной величиной, равной
, где
- радиус пружины. Вектор момента сил направлен по касательной к витку, и следовательно, вызывает деформацию чистого кручения витков пружины. Следствием этой деформации будет изменение длины пружины, т.е. ее линейная деформация.
Проследим геометрическую связь деформации кручения бесконечно малого элемента витка пружины
и удлинения пружины
. Рассмотрим бесконечно малый вектор перемещения
точки приложения силы
, находящейся на оси пружины (см. рис. 7.5). Этот вектор направлен перпендикулярно вектору
, соединяющему элемент витка с точкой приложения силы. Величина его равна
, где
- угол кручения элемента витка. Направление вектора перемещения образует с осью пружины угол
. На рис. 7.5 изображен также вектор перемещения
точки приложения силы при кручении элемента витка, расположенного на одном диаметре с первым элементом и имеющим такую же длину. По этой причине модули обоих векторов перемещений одинаковы и мы обозначим их через
. Видно, что сумма этих векторов направлена по оси пружины и ее величина равна
. Таким образом, перемещение точки приложения силы при кручении одного элемента витка на угол
выражается формулой
. Угол кручения вычислим с помощью соотношения
, где
- модуль сдвига;
- диаметр проволоки пружины;
- длина пружины; тогда:
. Полную линейную деформацию
пружины с общей длиной всех
витков
можно получить с помощью интегрирования:
где: d – диаметр проволоки пружины, D – диаметр пружины, N - количество витков. Следовательно, жесткость пружины:
. (7.13)
Из формулы (7.13) вытекает связь модуля сдвига и жесткостью пружины:
(7.14)
Для экспериментального определения жесткости пружины в данной работе изучаются свободные колебания груза известной массы , подвешенного на пружине (пружинный маятник). Зависимость отклонения от равновесного положения груза от времени
подчиняется следующему уравнению динамики:
. Решение этого уравнения, как следует из теории, имеет вид:
, где амплитуда
и начальная фаза
определяются начальными условиями;
– угловая частота крутильных колебаний, период которых Т равен:
, откуда
. Подставляя этот результат в формулу (7.14), получаем следующую расчетную формулу:
. (7.15)
Дата добавления: 2015-03-03; просмотров: 779;