Łukasz Łużyński 15.V.2002
Ćwiczenie 5a
Temat: Badanie ruchu obrotowego bryły sztywnej i wyznaczenie momentu bezwładności przyrządu (wahadło Oberbecka).
PODSTAWY TEORETYCZNE
1) Pierwsza zasada dynamiki ruchu obrotowego
W inercjalnym układzie odniesienia bryła nie obraca się lub obraca się ruchem jednostajnym, gdy nie działają na nią żadne momenty sił lub, gdy momenty działające równoważą się wzajemnie.
Warunek równowagi bryły w ruchu obrotowym:
2) Druga zasada dynamiki ruchu obrotowego
Jeżeli na bryłę obracającą się wokół osi OZ kartezjańskiego układu współrzędnych działa niezrównoważony moment siły M, wtedy nadaje on tej bryle przyspieszenie kątowe ε, którego wartość jest proporcjonalna do wartości momentu siły, a zwrot i kierunek są identyczne ze zwrotem i kierunkiem tego momentu siły.
Moment bezwładności bryły złożonej z kilku części jest równy sumie momentów bezwładności poszczególnych części bryły względem tej samej osi obrotu. Moment bezwładności zależy od wyboru osi, względem której go obliczamy. Jeżeli jest to oś 0-0 przechodząca przez środek masy S, to moment bezwładności I0 jest parametrem charakteryzującym daną bryłę. Moment bezwładności Id względem dowolnej osi d-d równoległej do osi 0-0 można obliczyć z twierdzenia Steinera:
gdzie:
m - masa bryły
r - odległość obydwu osi
II. OPIS PRZEPROWADZONEGO DOŚWIADCZENIA
Celem doświadczenia było wyznaczenie momentu bezwładności dla dwóch różnych konfiguracji wahadła Oberbecka przedstawionych na poniższych rysunkach. W doświadczeniu tym dokonywaliśmy pomiaru czasu spadania odważnika, przyczepionego do nici nawiniętej na walcu stanowiącego oś obrotu wahadła Oberbecka. Otrzymane pomiary umieszczone zostały w tabeli i wykorzystane do obliczeń zgodnie ze wzorem roboczym.
III. WYPROWADZENIE WZORU ROBOCZEGO
IV. OBLICZENIA I WYZNACZANIE NIEPEWNOŚCI POMIARÓW
1) Zależność h(t2)
Położenie skrajne
Lp. |
N |
t [s] |
|
t2 |
|
|
1 |
24 |
34,1 |
1,078195 |
1162,81 |
0,000927 |
0,001854 |
2 |
20 |
31,8 |
0,898495 |
1011,24 |
0,000889 |
0,001777 |
3 |
16 |
27,66 |
0,718796 |
765,0756 |
0,00094 |
0,001879 |
4 |
14 |
25,46 |
0,628947 |
648,2116 |
0,00097 |
0,001941 |
5 |
12 |
24,97 |
0,539097 |
623,5009 |
0,000865 |
0,001729 |
6 |
10 |
22,59 |
0,449248 |
510,3081 |
0,00088 |
0,001761 |
7 |
8 |
18,56 |
0,359398 |
344,4736 |
0,001043 |
0,002087 |
8 |
6 |
18,03 |
0,269549 |
325,0809 |
0,000829 |
0,001658 |
9 |
4 |
14,87 |
0,179699 |
221,1169 |
0,000813 |
0,001625 |
10 |
2 |
8,47 |
0,08985 |
71,7409 |
0,001252 |
0,002505 |
b) Położenie środkowe
Lp. |
N |
t [s] |
|
t2 |
|
|
1 |
24 |
21,31 |
1,078195 |
454,1161 |
0,002374 |
0,004749 |
2 |
20 |
18,28 |
0,898495 |
334,1584 |
0,002689 |
0,005378 |
3 |
16 |
16,19 |
0,718796 |
262,1161 |
0,002742 |
0,005485 |
4 |
14 |
15,62 |
0,628947 |
243,9844 |
0,002578 |
0,005156 |
5 |
12 |
14,71 |
0,539097 |
216,3841 |
0,002491 |
0,004983 |
6 |
10 |
13,78 |
0,449248 |
189,8884 |
0,002366 |
0,004732 |
7 |
8 |
11,5 |
0,359398 |
132,25 |
0,002718 |
0,005435 |
8 |
6 |
10 |
0,269549 |
100 |
0,002695 |
0,005391 |
9 |
4 |
7,47 |
0,179699 |
55,8009 |
0,00322 |
0,006441 |
10 |
2 |
4,97 |
0,08985 |
24,7009 |
0,003638 |
0,007275 |
2) Wyznaczanie momentu bezwładności
Masa ciężarka
Przyspieszenie ziemskie
Promień walca
Liczba nawiniętych zwojów
Skrajne położenie
ti [s] |
|
|
24 |
0,122 |
0,014884 |
24,56 |
-0,438 |
0,191844 |
23,9 |
0,222 |
0,049284 |
24,54 |
-0,418 |
0,174724 |
24,6 |
-0,478 |
0,228484 |
24,15 |
-0,028 |
0,000784 |
24,03 |
0,092 |
0,008464 |
23,91 |
0,212 |
0,044944 |
23,78 |
0,342 |
0,116964 |
23,75 |
0,372 |
0,138384 |
|
|
|
Środkowe położenie
ti [s] |
|
|
14,41 |
-0,15 |
0,0225 |
13,59 |
0,67 |
0,4489 |
13,78 |
0,48 |
0,2304 |
13,59 |
0,67 |
0,4489 |
14,66 |
-0,4 |
0,16 |
14,56 |
-0,3 |
0,09 |
14,71 |
-0,45 |
0,2025 |
14,15 |
0,11 |
0,0121 |
14,62 |
-0,36 |
0,1296 |
14,53 |
-0,27 |
0,0729 |
|
|
|
V. WNIOSKI
wykresy zależności h(t2) są wykresami funkcji liniowo rosnących, jest to dowodem tego, że odważnik porusza się ruchem jednostajnie przyspieszonym,
Dokonywaliśmy pomiarów momentów bezwładności dla dwóch różnych konfiguracji, w pierwszym przypadku odważniki wahadła były położone w skrajnej odległości od środka osi obrotu, w drugim przypadku odważniki znajdowały się o połowę bliżej środka wahadła. Moment bezwładności w pierwszym przypadku jest znacznie większy od przypadku drugiego, można tu nawiązać do przykładu łyżwiarza, który by zwiększyć swoją prędkość obrotową zmniejsza swój moment bezwładności poprzez złożenie ramion wzdłuż ciała.