с наклонной поверхности

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОМЕНТА ИНЕРЦИИ ТЕЛА, СКАТЫВАЮЩЕГОСЯ С

НАКЛОННОЙ ПЛОСКОСТИ

1. Включить вилку «Секундомера» в розетку 220 в.

2. Включить клавишу «Сеть» на задней панели «Секундомера»
(клавиша светится).

3. Позиционировать маховик на раме с помощью ограничителей и
нажать кнопку включения электромагнита.

4. Нажать кнопку «пуск» на табло «Секундомера». «Секундомер»
фиксирует время движения маховика до нижней точки.

5. Измерить по линейке путь маховика до его остановки.

Работа № 5. Определение момента инерции тела, скатывающегося

с наклонной поверхности

ЦЕЛЬ: определить момент инерции тела относительно мгновенной оси вращения расчётным и экспериментальным методом

ОБОРУДОВАНИЕ: установка, набор тел, секундомер

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

В работе используются тела, осью которых является цилиндрический стер­жень радиусом r. Одно из тел 1 (рис. 1) помещают на параллельные направ­ляющие 2, образующие с горизонтом углы α₁ и α₂.

Рис. 1

Если тело отпустить, то оно, скатываясь, достигнет нижней точки и, двига­ясь далее по инерции, поднимется вверх по направляющим. Движение тела, при котором траектории всех тачек лежат в параллельных плоскостях, называется плоским. Плоское движение можно представить двумя способами: либо как со­вокупность поступательного движения тела со скоростью центра масс и враща­тельного вокруг оси, проходящей через центр масс; либо как только враща­тельное движение вокруг мгновенной оси вращения (МОВ), положение которой непрерывно изменяется. В нашем случае эта мгновенная ось 2 проходит через точки касания направляющих с движущимся стержнем.

ОПИСАНИЕ МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЙ

При скатывании тело, опускаясь с высоты h₀=l₀sinα₁≈l₀α₁, проходит путь l₀, а поднимаясь по инерции на высоту h≈lα₂, проходит путь l. В нижней точке скорость поступательного движения центра масс v=2l₀/t, а угловая скорость тела

ω=v/r=2l₀/(r∙t), (10)

где t – время движения от верхней точки до нижней, r – радиус стержня (оси).

На скатывающееся тело действует момент сил сопротивления М_тр. Работа его на пути l₀ равна А=М_трφ,где угловой путь φ₀=l₀/r.

Закон сохранения энергии на отрезке пути l₀ имеет вид

(11)

где I – момент инерции скатывающегося тела относительно МОВ, m – масса тела, включающая в себя массу стержня.

При движении тела вниз с высоты h₀ и вкатывании его на высоту h работа сил сопротивления на пути (l+l₀) равна убыли потенциальной энергии (см. (2)):

(12)

Решая совместно (3.10)–(3.12), получаем формулу для определения момента инерции динамическим методом:

(13)

Здесь величина (α₁+ α₁) является константой для данной установки.

Момент инерции тела относительно МОВ определяется теоремой Штейнера

I=I₀+та²,

где I₀ – момент инерции, относительно центра масс;

a –расстояние от центра масс тела до оси вращения (в этом опыте a=r).

Задание 1.Аналитический расчёт момента инерции тела

Для расчёта момента инерции, маховика I необходимо измерить массу тела, (написана на телах) или объём (массу рассчитать, используя плотность) и ра­диусы цилиндрических тел. Методика расчёта величины I дана на с. 39. Всоот­ветствии с ней результаты всех измерений и вычислений вносите в табл. 1.

Тmаблица 1

Далее задание выполняется, как описано на с. 40.

Задание 2. Определение момента инерции тела динамическим методом

1. Определите массу m тела., запишите ее значение, а также постоянную установки (α₁+α₂) в табл. 2.

2. Проверьте правильность положения установки. При скатывании тело не
должно смещаться к одной из направляющих. Для регулировки исполь­зуйте винты основания. Измерьте штангенциркулем диаметр d стержня в
различных местах, определите его среднее значение и средний радиус r.

3. Установите тело на направляющие на расстоянии l₀ от нижней точки, за
его положение фиксируется магнитом по нажатию кнопки «Сброс» се­кундомера.

4. Нажмите кнопку секундомера « Пуск ». При этом электромагнит отключится, и тело начинает двигаться. Когда тело достигнет нижней точки, секундомер автоматически выключится. Запишите время движения тела до нижней точки в табл. 2.

5. Наблюдая далее за движением тела по инерции, отметьте расстояние l, на
которое оно поднимется до остановки.

6. Опыт повторите еще четыре раза при том же расстоянии l₀, записывая
результаты в табл. 2.

Таблица 2

№ п. п.	d, мм	t, с	l, м	α1+α2= рад m=кг l0= м
…
Среднее значение				I= кг·м2

7. Найдите средние значения величин r, t, l ипо формуле (3.13) рассчитай­те момент инерции тела I относительно МОВ.

Задание 3.Изучение зависимости момента инерции от распределения мас­сы относительно оси вращения

В этом задании используется тело в виде крестовины, по которой могут пе­ремещаться грузы (цилиндры). Все результаты измерений заносятся в табл. 3.

1. Определите массу m тела и радиус r оси тела, и запишите постоянную ус­тановки (α₁+α₂=).

2. Установите подвижные цилиндры на равном расстоянии b от оси враще­ния и измерьте это расстояние.

Примечания.

1. Когда грузы находятся на одинаковом расстоянии от оси вращения, тело должно находиться в безразличном положении равновесия на горизонтальных
направляющих.

2. Так как цилиндрыимеют одинаковый размер, расстояние между центрами
грузов равно расстоянию между их торцами, которое можно измерить значительно точнее (рис. 2).

Таблица 3

3. Установите тело на направляющие на расстоянии l₀ от нижней точки, его
положение фиксируется магнитом нажатием кнопки «Сброс» секундомера.

4. Нажмите кнопку секундомера «Пуск». При этом электромагнит отклю­чится, и тело начинает двигаться. Когда тело достигнет нижней точки, секундо­мер автоматически выключится. Запишите время движения тела до нижней точки в табл. 3.

5. Отметьте расстояние l, на которое продвинется тело, поднимаясь по
инерции.

6. Повторите измерения пп. 3-5 при других расстояниях b цилиндров, отно­сительно оси вращения.

7. Рассчитайте b² и момент инерции тела I (формула 3-13) для каждого опы­та.

8. Постройте график зависимости (см. рекомендации построения и обра­бот­ки графиков) I=f(b²) и по графику определите момент инерции крестовины I_КР и массу m подвижных грузов.

9. Сделайте выводы.

Задание 4.Оценка погрешности измерений

В качестве систематической погрешностив данных опытах следует взять приборную погрешность, равную цене деления измерительного прибора.

Случайная погрешностьопределяется по разбросу выборки:

где x_max и x_min - максимальное и минимальное значение измеряемой величины в серии из N повторных измерений. Этой границе доверительного интервала соответствует доверительная вероятность

1. В табл. 4 занесите средние значения прямых измерений, выполненных в одном из упражнений и значения погрешностей этих величин – систематической и случайной.

2. Для каждой величины выберете наибольшую из погрешностей и рассчитайте наибольшую относительную погрешность 8 измерения каждой величины. В окончательном выводе следует отметить, для каких величин желательно увеличить (и как?) точность измерений, а для каких её можно и уменьшить без ущерба для конечного результата.

Таблица 4

3. В качестве относительной погрешности результатов измерений примите наи­большую из погрешностей прямых измерений (см. табл. 2)

Контрольные вопросы

1. Укажите величины кинетической и потенциальной энергии при скатываниитела: в начале и в конце движения, в нижней точке и в произвольной точке.

2. Опишите характер движения тела по направляющим. Какая сила создаёт
момент относительно оси вращения?

3. Как измеряют угловую скорость ω в данной работе?

4. Какие величины измеряют для определения скорости ω, момента сил трения,работы сил трения?

5. Какие уравнения лежат в основе динамических методов определения момента инерции?

6. Что составляет основу методики расчётного метода определения величины I?

7. Укажите возможные источники случайных и систематических погрешностей при измерениях.