Politechnika Krakowska Fizyka Techniczna |
Paweł Górski |
Rok II 99/2000 Semestr III |
Data : |
Grupa : 1 Zespół : 6 |
|
Ćw. 5 |
Podpis :
|
|
|
|
Ocena:
|
Temat:
Badanie drgań tłumionych wahadła torsyjnego.
Wstęp:
Bryła sztywna obracalna około stałej osi obrotu i poddana momentowi sił M1, proporcjonalnemu do kąta odchylenia bryły z położenia równowagi φ, a skierowanemu przeciwnie do wychylenia
Wykonuje drgania proste, obrotowe o równaniu:
gdzie:
J - moment bezwładności bryły względem osi obrotu.
Rozwiązaniem tego równania jest:
gdzie:
Φ - amplituda kątowa drgań,
T - okres drgań
ε - faza początkowa.
Amplituda i okres są nie zmienne w czasie, przy czym okres nie zależy od amplitudy (izochronizm drgań). Jeżeli oprócz momentu M1 działają na ciało momenty sił skierowane przeciwnie do prędkości ciała, wówczas amplituda maleje z biegiem czasu; obserwujemy drgania zwane tłumionymi, zanikającymi lub gasnącymi
Prawo zanikania amplitudy zależy od rodzaju tłumienia. Rozpatrzmy dwa rodzaje tłumienia:
tłumienie momentem siły proporcjonalnym do prędkości ruchu φ i przeciwnie do niej skierowanym:M2=k2φ
tłumienie momentem stałym co do wartości, a przeciwnie skierowanym do φ;
Przypadek "a" występuje przy tłumieniu powolnych, mechanicznych drgań ciała zanurzonego w lepkiej cieczy lub przy tłumieniu drgań elektrycznych w obwodach elektrycznych. Przypadek "b" ma miejsce przy tłumieniu drgań mechanicznych tarciem kulombowskim. W przypadku "a" równanie ruchu ma postać:
Jego rozwiązaniem przy słabym tłumieniu ( k22 < 4Jk1 ) jest funkcja:
Stałe Ф i ε wyznaczamy z warunków początkowych. Niech np.: dla t=0, φ(0)= φ0 i φ(0)= φ0, wówczas:
Funkcja przedstawiona równaniem 2 nie jest funkcja periodyczną jak wynika z poniższego rysunku. Jej "okres ", tj czas, jaki upływa miedzy dwoma kolejnymi maksimami lub podwójny czas między dwoma kolejnymi przejściami przez 0 wynosi:
A więc jest dłuższy od okresu T drgań nie gasnących. Maksima funkcji [2]
Są przesunięte względem maksimów funkcji sinus kąta w lewo i wartości ich maleją z czasem. Ponieważ termin -amplituda- odnosi się do stałej wartości maksimów funkcji sinus, wyrażenie Фe-δt należało by nazwać amplitudę w cudzysłowie. "Amplituda" Фe-δt maleje z czasem według funkcji wykładniczej, logarytm "amplitudy" maleje liniowo z czasem
Obliczmy stosunek 2 kolejnych "amplitud" po tej samej stronie położenia równowagi
Stosunek ten jest stały i nosi nazwę stosunku tłumienia. Logarytm naturalny tego stosunku :
Nosi nazwę dekrementu logarytmicznego drgań tłumionych. Jest on również wartością charakterystyczną dla tych drgań.
W przypadku "b" równanie ma postać: Jφ=-kφ+M3
Rozwiązaniem tego równania a właściwie układu 2 równań różniczkowych jest drganie tłumione o amplitudzie malejącej według postępu arytmetycznego o wielkości Δφ=4M/k1 na 1 okres i ie zmienionym okresie :
Opis przyrządu użytego do ćwiczenia
Przyrząd składa się z kuli zawieszonej na stalowym drucie wlutowanym osiowo w walec, obracalny w łożysku za pośrednictwem pokrętła o niewielki kąt. Wiązka światła z rzutnika odbija się od zwierciadła przymocowanego do drutu i daje na skali plamkę świetlną. Podczas drgań obrotowych kuli plamka świetlna wykonuje drgania liniowe o odchyleniu x proporcjonalnym do kąta obrotu kuli φ, gdyż dla niewielkich kątów
(l jest odległością skali od zwierciadełka); stąd
Tłumienie proporcjonalne do prędkości ruchu realizujemy przez zanurzenie drgającej kuli w lepkiej cieczy, np. w wodzie; stąd nazwa tego rodzaju tłumienia: lepkościowe lub wiskotyczne. Tłumienie stałym momentem uzyskujemy, podstawiając pod kulę cienką blaszkę przesuwalną na statywie, której wysokość, a więc i nacisk na kulę można regulować za pomocą śruby.
Tłumienie pochodzące od lepkości powietrza i tarcia wewnętrznego w materiale drutu jest tak małe, że można je wobec obu rozpatrywanych momentów hamujących pominąć. Kulę wprawiamy w drganie przez powolny obrót zawieszenia z położenia zerowego w skrajne, a następnie szybki powrót do zera.
Zadania
Zadanie 1: Drgania obrotowe kuli nie tłumione (z pominięciem tłumieni powietrza i tłumienia w metalu drutu).
Obserwować kilkanaście kolejnych amplitud xn po tej samej stronie położenia równowagi.
lp. |
10T [s] |
X ( lewa ) |
X (prawa) |
|
1 |
87,00 |
154 |
160 |
0 |
2 |
87,00 |
153 |
160 |
1T |
3 |
87,03 |
153 |
160 |
2T |
4 |
87,10 |
152 |
159 |
3T |
5 |
86,94 |
152 |
159 |
4T |
6 |
86,90 |
151 |
159 |
5T |
7 |
87,04 |
151 |
159 |
6T |
8 |
86,91 |
150 |
159 |
7T |
9 |
86,96 |
150 |
159 |
8T |
10 |
86,97 |
150 |
158 |
9T |
|
|
150 |
158 |
10T |
|
|
150 |
157 |
11T |
|
|
149 |
157 |
12T |
|
|
149 |
156 |
13T |
|
|
147 |
156 |
14T |
|
|
146 |
158 |
15T |
Sporządź wykres zależności amplitudy od czasu (wykres 1).
Zmierzyć okres drgań przez kilkakrotny pomiar czasu przypadającego na 10 okresów.
Oblicz moment kierujący:
m=1 [kg]
R=0,0303 [m]
w tej części ćwiczenia mieliśmy za zadanie zmierzyć okres drgań wahadła fizycznego, oraz wychylenie
Wyznaczam błąd 10T wahadła:
10Tśr=86,98 [s]
Odchylenie standardowe całości
Tśr=86,98/10=8,698[s] - okres jednego wachnięcia.
T = ( 8,698 * 0,002 )[s]
J = 2/5mR2 = 0,00037[kg m2]
k1 =0,000192[N/m.]
k1 = ( 0,00019 ± 0,00009 ) [N/m]
Niedokładności w tej części ćwiczenia mogą wynikać z warunków w jakich wykonywaliśmy to ćwiczenie, oraz niedokładności ludzkiego oka.
Zadanie 2. Drgania obrotowe kuli tłumione oporem wiskotycznym.
Obserwować kilkanaście kolejnych amplitud xn po tej samej stronie położenia równowagi.
lp. |
10T [s] |
x ( lewa ) |
x(prawa) |
|
lnx(lewa) |
lnx(prawa) |
x/xn+1 |
1 |
87,86 |
171 |
171 |
0T |
5,141664 |
5,141664 |
1,075472 |
2 |
87,8 |
159 |
161 |
1T |
5,068904 |
5,081404 |
1,06 |
3 |
87,81 |
150 |
151 |
2T |
5,010635 |
5,01728 |
1,071429 |
4 |
87 |
140 |
141 |
3T |
4,941642 |
4,94876 |
1,068702 |
5 |
87,92 |
131 |
131 |
4T |
4,875197 |
4,875197 |
1,07377 |
6 |
87,83 |
122 |
122 |
5T |
4,804021 |
4,804021 |
0,976 |
7 |
87,93 |
125 |
116 |
6T |
4,828314 |
4,75359 |
1,157407 |
8 |
87,8 |
108 |
106 |
7T |
4,682131 |
4,663439 |
1,069307 |
9 |
87,68 |
101 |
101 |
8T |
4,615121 |
4,615121 |
1,074468 |
10 |
87,87 |
94 |
95 |
9T |
4,543295 |
4,553877 |
1,05618 |
|
|
89 |
89 |
10T |
4,488636 |
4,488636 |
1,072289 |
|
|
83 |
82 |
11T |
4,418841 |
4,406719 |
1,064103 |
|
|
78 |
78 |
12T |
4,356709 |
4,356709 |
|
Tłumienie kuli: (x/xn+1)sr= 1,068572
Sporządź wykres przedstawiający zależność amplitudy od czasu (wykres nr 2).
Sporządź wykres przedstawiający zależność logarytmu naturalnego amplitudy od czasu.
Wykres nr.4 przedstawia zależność amplitudy xn (prawej) od czasu, a nr.5 amplitudy xn (lewej)
4. Obliczyć na podstawie wykresów stosunek tłumienia i dekrement logarytmiczny obserwowanych drgań
tłumionych.
Wyznaczamy dekrement logarytmiczny i jego błąd metodą regresji liniowej.
Równanie ogólne prostej:
y=Ax+B
D = ( -0,0735 ± 0,0243 )
5. Zmierzyć okres drgań tłumionych T1.
Wyznaczam błąd 10T wahadła:
10Tśr=87,75 [s]
Tśr=8,775[s]
Odchylenie standardowe całości:
S10T=0,67[s]
ST=0,067[s]
T = ( 8,775 * 0,067 )[s]
Oblicz współczynnik k2 ze wzoru na dekrement:
k2 obliczamy ze wzoru na dekrement.
k1 obliczymy ze wzoru na okres:
m=1 [kg]
R=0,0303[m]
k1=( 0,00019 ± 0,00009 ) [N/m]
k2=( 6,19 ± 0,098 ) 10-6[N/m]
Zadanie 3: Drgania obrotowe kuli tłumione tarciem kulombowskim.
Obserwować kilkanaście kolejnych amplitud xn po tej samej stronie położenia równowagi.
|
x ( lewa ) |
x (prawa) |
x-xn+1 |
1T |
158 |
151 |
10 |
2T |
148 |
141 |
8 |
3T |
140 |
132 |
7 |
4T |
133 |
126 |
7 |
5T |
126 |
117 |
8 |
6T |
118 |
111 |
7 |
7T |
111 |
103 |
7 |
8T |
104 |
96 |
7 |
9T |
97 |
89 |
7 |
10T |
90 |
83 |
6 |
11T |
84 |
77 |
6 |
12T |
78 |
69 |
7 |
13T |
71 |
61 |
5 |
14T |
66 |
56 |
6 |
15T |
60 |
51 |
5 |
16T |
55 |
47 |
5 |
17T |
50 |
42 |
4 |
18T |
46 |
36 |
5 |
19T |
41 |
32 |
3 |
20T |
38 |
30 |
|
∆x =( x-xn+1)sr= 7
k1 = ( 0,00019 ± 0,00009 ) [N/m]
l = 0,784 m ± 0,001m
Sporządź wykres zależności amplitudy od czasu. (wykres nr 3)
Obliczyć na podstawie wykresu moment siły tarcia:
Wnioski:
Wszystkie części ćwiczenia zostały wykonane poprawnie o czym świadczą wykresy. Drobne uchybienia mogły być spowodowane niedokładnością ludzkiego oka i przyrządów które mieliśmy do dyspozycji. Jak wynika z obliczeni wszystkie niedokładności mieszczą się w granicach błędów, co nam pozwoliło na powyższe stwierdzenia.
φ
t
3T
2T
T
Δφ
2T
6T
4T
8T
t
ln Φn
T
3T
2T
t
φ
2T
T
3T
t
φ