Студопедия

КАТЕГОРИИ:


Архитектура-(3434)Астрономия-(809)Биология-(7483)Биотехнологии-(1457)Военное дело-(14632)Высокие технологии-(1363)География-(913)Геология-(1438)Государство-(451)Демография-(1065)Дом-(47672)Журналистика и СМИ-(912)Изобретательство-(14524)Иностранные языки-(4268)Информатика-(17799)Искусство-(1338)История-(13644)Компьютеры-(11121)Косметика-(55)Кулинария-(373)Культура-(8427)Лингвистика-(374)Литература-(1642)Маркетинг-(23702)Математика-(16968)Машиностроение-(1700)Медицина-(12668)Менеджмент-(24684)Механика-(15423)Науковедение-(506)Образование-(11852)Охрана труда-(3308)Педагогика-(5571)Полиграфия-(1312)Политика-(7869)Право-(5454)Приборостроение-(1369)Программирование-(2801)Производство-(97182)Промышленность-(8706)Психология-(18388)Религия-(3217)Связь-(10668)Сельское хозяйство-(299)Социология-(6455)Спорт-(42831)Строительство-(4793)Торговля-(5050)Транспорт-(2929)Туризм-(1568)Физика-(3942)Философия-(17015)Финансы-(26596)Химия-(22929)Экология-(12095)Экономика-(9961)Электроника-(8441)Электротехника-(4623)Энергетика-(12629)Юриспруденция-(1492)Ядерная техника-(1748)

Краткая теория. Цель работы – изучение крутильных колебаний вращающегося стола при разной массе системы и пружинах различной упругости


ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОМЕНТА ИНЕРЦИИ ТЕЛ МЕТОДОМ КОЛЕБАНИЙ. ТЕОРЕМА ШТЕЙНЕРА

Лабораторная работа № 6

Цель работы – изучение крутильных колебаний вращающегося стола при разной массе системы и пружинах различной упругости

Приборы и принадлежности: лабораторный модуль

ЛКМ-3 с вращающимся столом, два круглых груза, груз наборный, нить длиной 45 см (красная), измерительная система ИСМ-1 (секундомер), нижний ролик на стойке с двумя осями, две пружины с балками, измерительная линейка.

 

 

При вращательном движении твердого тела вокруг неподвижной оси каждая точка тела движется в плоскости, перпендикулярной оси, по окружности, центр которой лежит на оси. Линейная скорость точки тела v связана с угловой скоростью тела.

, (1)

где r – расстояние от точки тела до оси вращения.

Кинетическая энергия тела равна сумме кинетических энергий всех частиц тела:

, (2)

где - элементарные массы, на которые мысленно разбито тело. Подставляя скорость vi из формулы (1) в (2), получим

(3)

Величина (4)

называется моментом инерции тела. Момент инерции характеризует распределение массы в твердом теле относительно оси вращения и является мерой инертности вращающегося тела.

Выражение для кинетической энергии вращающегося тела вокруг неподвижной оси, исходя из формул (3) и (4), выглядит следующим образом:

 
 


.

Для вычисления моментов инерции различных тел массу в формуле (4) выражают через плотность тела: = ρ ΔVi , где ΔVi – элементарный объем тела, и переходят к пределу ΔVi → 0. Тогда получим

. (6)

 

Теорема Штейнера устанавливает связь между моментом инерции тела Iс относительно оси, проходящей через центр инерции, и моментом инерции I этого тела относительно другой оси, параллельной первой .

,

где m – масса тела, а – расстояние между осями.

В настоящей работе измеряется момент инерции различных тел с помощью крутильного маятника. Этот маятник состоит из горизонтально расположенного поворотного стола, на котором могут закрепляться различные тела. На оси поворотного стола закреплен шкив радиусом R, с помощью которого столу может сообщаться вращательное движение. Через шкив перекинута нить, к концам которой прикреплены две пружины (рис. 1) c коэффициентами жесткости k1 и k2.

Рис. 1. Крутильный маятник

В положении равновесия силы натяжения нити по разные стороны от шкива одинаковы и равны упругим силам, которые согласно закону Гука

(Fупр)0 = k1 x01 = k2 x02 , (8)

где x01 и x02 - величины растяжения пружин.

При отклонении от положения равновесия поворотный стол совершает колебания под действием сил упругости двух пружин. Величина деформации одной пружины x1 = x01 + х , где х – отклонение от равновесного положения. Если нить нерастяжимая, то величина деформации другой пружины



х2 = х02 – х.

Запишем выражение для потенциальной энергии деформации пружин следующим образом:

(x01 + x)2 (9)

( x02 - x)2 (10)

Если пренебрегать силами трения, то согласно закону сохранения механической энергии, полная механическая энергия, т. е. сумма кинетических и потенциальных энергий,

 

(x01 + x)2 + (x02 - x)2 (11)

 

не зависит от времени. Значит, .

Вычисляя производную от выражения (11) по времени, получим

(12)

Если нить не проскальзывает по шкиву поворотного стола, то

х = Rj ,

где j - угол поворота стола от положения равновесия; . Учитывая условие равновесия (8) и определение угловой скорости получим из уравнения (12)

(13)

 

Обозначим и

– суммарный коэффициент жесткости двух пружин. Тогда уравнение (13) принимает вид дифференциального уравнения гармонических колебаний

. (14)

Решение этого уравнения:

j(t) = A cos ( ωо t + α ) , (15)

 

где А – амплитуда колебаний, ωо - циклическая частота колебаний,

α - начальная фаза колебаний.

Период колебаний

(16)

.

 

В данной работе находится момент инерции. Из формулы (16) следует

. (17)

<== предыдущая лекция | следующая лекция ==>
Задачи для отчета по лабораторной работе | Описание установки. Поворотный стол, смонтированный на модуле ЛКМ-3, снабжен датчиком вращения, который фиксирует повороты стола на один и более оборотов

Дата добавления: 2014-01-04; Просмотров: 200; Нарушение авторских прав?


Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет



ПОИСК ПО САЙТУ:


Рекомендуемые страницы:

Читайте также:
studopedia.su - Студопедия (2013 - 2020) год. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав! Последнее добавление
Генерация страницы за: 0.005 сек.