background image

LABORATORIUM MECHANIKI EKSPERYMENTALNEJ 

Instrukcja do ćwiczenia 

 

1b 

 

Wyznaczanie momentów bezwładności elementów 

maszyn metodą wahadła fizycznego 

 
Cel 

ć

wiczenia 

Celem 

ć

wiczenia jest zapoznanie z eksperymentalnymi i analitycznymi metodami wy-

znaczania  momentów  bezwładno

ś

ci  cz

ęś

ci  maszyn.  W  ramach  realizowanego 

ć

wi-

czenia stosuje si

ę

 metod

ę

 wahadła fizycznego. 

Literatura 

1.

  J.Leyko, Mechanika Ogólna,  tom II,  rozdz. VII. 

2.

  K.Zarankiewicz,    Mechanika Teoretyczna, tom III, rozdz. X. 

Zagadnienia kontrolne 

1.  Definicje momentów bezwładno

ś

ci ciała sztywnego: 

a) wzgl

ę

dem płaszczyzny,  

b) wzgl

ę

dem osi,  

c) wzgl

ę

dem punktu. 

 
2.  Umiej

ę

tno

ść

 wyznaczenia sposobem analitycznym momentów bezwładno

ś

ci pro-

stych ciał jednorodnych, jak: walec, kula, sto

ż

ek, sto

ż

ek 

ś

ci

ę

ty itp. 

3. Twierdzenie Steinera. 
4. Analityczne wyznaczenie momentów bezwładno

ś

ci ciała zło

ż

onego z prostych ele-

mentów.  

 

Uwaga.  Instrukcja  dotyczy  podstaw  samego 

ć

wiczenia.  Aby  opanowa

ć

  materiał 

dotycz

ą

cy powy

ż

szych zagadnie

ń

 nale

ż

y si

ę

gn

ąć

 do podanej literatury. 

Podstawy teoretyczne dotycz

ą

ce przeprowadzenia eksperymentu 

Wahadłem fizycznym nazywamy dowolne ciało sztywne mog

ą

ce si

ę

 obraca

ć

 wo-

kół osi poziomej, które wykonuje drgania pod wpływem siły grawitacji (rysunek 1). 

background image

 

Rys. 1. Przekrój wahadła fizycznego i punkty zawieszenia A i B 

 

Na rysunku 1 przedstawiono przekrój takiego ciała w płaszczy

ź

nie prostopadłej do  

osi obrotu i przechodz

ą

cej przez 

ś

rodek masy ciała. Wybrany punkt, w którym o

ś

 ob-

rotu  przebija  wspomnian

ą

  płaszczyzn

ę

,  mo

ż

emy  nazwa

ć

  punktem  zawieszenia  wa-

hadła (na rysunku punkt A lub B w zale

ż

no

ś

ci od sposobu zawieszenia wahadła). 

Mamy  wyznaczy

ć

  moment  bezwładno

ś

ci  wahadła  wzgl

ę

dem  osi  przechodz

ą

cej 

przez 

ś

rodek masy C i równoległej do osi obrotu przechodz

ą

cej przez punkt A. 

Okres drga

ń

 wahadła fizycznego wynosi odpowiednio: 

- gdy o

ś

 obrotu przechodzi przez punkt A: 

 

mag

J

T

A

A

π

2

=

,

  

 

 

 

 

(1a) 

 

- gdy o

ś

 obrotu przechodzi przez punkt B: 

g

a

l

m

J

T

B

B

)

(

2

=

π

,   

 

 

 

  

(1b)

 

 
gdzie:  J

A 

–moment  bezwładno

ś

ci  wahadła  wzgl

ę

dem  osi  przechodz

ą

cej  przez 

punkt A,  
J

B 

–moment bezwładno

ś

ci wahadła wzgl

ę

dem osi przechodz

ą

cej przez punkt B, 

a

 – odległo

ść

 punktu A od 

ś

rodka masy C,  

l

 – odległo

ść

 pomi

ę

dzy punktami A i B, 

m – masa wahadła. 
 
St

ą

d, momenty bezwładno

ś

ci wzgl

ę

dem osi przechodz

ą

cych odpowiednio 

przez punkty A i B wynosz

ą

 

2

2

4

π

A

A

mgaT

J

=

    

 

]

[

2

m

kg

 

 

(2a) 

 

 

(

)

2

2

4

π

B

B

T

a

l

mg

J

=

       

]

[

2

m

kg

 

 

(2b) 

 

background image

 

Korzystaj

ą

c z twierdzenia Steinera i z zale

ż

no

ś

ci (2a i 2b) mo

ż

na okre

ś

li

ć

 mo-

ment bezwładno

ś

ci badanego elementu  wzgl

ę

dem osi przechodz

ą

cej przez 

ś

rodek 

masy oraz odległo

ść

 punktu zawieszenia A od 

ś

rodka masy: 

 

m

a

agT

J

A

c





=

2

2

2

4

π

                         

]

[

2

m

kg

 

(3) 

 

 

 

         

]

[m

           (4)  

 
 

Oszacowanie niepewno

ś

ci pomiarowej 

 
Załó

ż

my dalej, 

ż

e niepewno

ś

ci poszczególnych pomiarów s

ą

 niezale

ż

ne i losowe. 

Aby  upro

ś

ci

ć

  obliczenia  przyjmijmy, 

ż

e  niepewno

ść

  oszacowania  g  (przyspieszenia 

ziemskiego) jest pomijalnie mała (bliska zeru) w porównaniu do innych niepewno

ś

ci. 

Dla uproszczenia przyjmijmy, 

ż

e pomiar 

a

 obarczony jest niepewno

ś

ci

ą

(5)

 

 

 

 

 

 
 

Ogólna  zale

ż

no

ść

  okre

ś

laj

ą

ca  jak  si

ę

  przenosz

ą

  bł

ę

dy  wielko

ś

ci  mierzonych  na 

wyznaczan

ą

 po

ś

rednio wielko

ść

, przy zało

ż

eniu niezale

ż

no

ś

ci bł

ę

dów wielko

ś

ci mie-

rzonych, przedstawia si

ę

 nast

ę

puj

ą

co

1

 

2

2

...

+

+

=

z

z

y

x

x

y

y

    

 

 

   (6)

 

 

gdzie  y(x,..z)  jest  wielko

ś

ci

ą

  wyznaczan

ą

  metod

ą

  po

ś

redni

ą

  na  podstawie  pomiaru 

warto

ś

ci x,...z

 

 

Ostatecznie  mo

ż

na  zapisa

ć

ż

e  niepewno

ść

  oszacowania  momentu  bezładno

ś

ci 

elementu wzgl

ę

dem osi przechodz

ą

cej przez 

ś

rodek ci

ęż

ko

ś

ci wynosi: 

2

2

2

2

2

2

2

2

2

4

4

2

4





+

+





=

m

a

agT

T

agmT

a

m

a

gT

J

A

A

A

A

c

π

π

π

 

]

[

2

m

kg

 

(7) 

Podobnie  niepewno

ść

  towarzysz

ą

c

ą

  pomiarowi  metod

ą

  po

ś

redni

ą

  momentu  bez-

władno

ś

ci  elementu  wzgl

ę

dem  osi  przechodz

ą

cej  przez  punkt  A  i  punkt  B  mo

ż

na 

oszacowa

ć

 jako: 

 
 
 

                                                            

1

 Aby poszerzyć wiedze z tego zakresu sięgnij po książkę: John R. Taylor; Wstęp do analizy błędu pomiarowego; 

PWN Warszawa 1999 i późniejsze wydania (rozdział 3). 

(

)

l

T

T

g

l

glT

a

B

A

B

2

2

2

2

2

2

8

4

π

π

+

=

l

a

background image

2

2

2

2

2

2

2

2

4

4

2

4



+

+



=

a

mgT

T

mgaT

m

gaT

J

A

A

A

A

A

π

π

π

         

 

 

]

[

2

m

kg

               

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                 

(8) 

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

4

4

4

)

(

2

4

)

(



+



+

+



=

l

mgT

a

mgT

T

T

a

l

mg

m

T

a

l

g

J

B

B

B

B

B

B

π

π

π

π

    

]

[

2

m

kg

 

 
gdzie:

l

T

T

B

A

,

,

  s

ą

  niepewno

ś

ciami  pomiarowymi  wielko

ś

ci  mierzonych  bezpo-

ś

rednio:  okresów  waha

ń

  wahadła  podwieszonego  na  osiach  przechodz

ą

cych  przez 

punkty A i B oraz odległo

ś

ci pomi

ę

dzy A i B. 

 
Przebieg 

ć

wiczenia 

 
Opis kolejnych kroków, które nale

ż

y wykona

ć

 znajduje si

ę

 w arkuszu sprawozdania. 

Poni

ż

ej zwrócono uwag

ę

 na pewne istotne zagadnienia. 

  Nale

ż

y  zmierzy

ć

  czas  co  najmniej  10  wahni

ęć

  elementu  dla  dwóch  ró

ż

nych 

podwiesze

ń

 elementu 

  Ka

ż

dy pomiar nale

ż

y powtórzy

ć

 20 razy. 

  G

ę

sto

ś

ci materiałów niezb

ę

dne do analitycznych oblicze

ń

 momentu bezwład-

no

ś

ci podane s

ą

 w zamieszczonej ni

ż

ej tabeli.  

  We wnioskach nale

ż

y si

ę

 ustosunkowa

ć

 do otrzymanych wyników, a w szcze-

gólno

ś

ci  ró

ż

nic  pomi

ę

dzy  warto

ś

ciami  uzyskanymi  z  oblicze

ń

  analitycznych 

oraz  z  eksperymentu,  uwzgl

ę

dniaj

ą

c  przy  tym  oszacowanie  niepewno

ś

ci  po-

miarowej. 
 

Materiał 

G

ę

sto

ść

 

[kg/m

3

Mosi

ą

dz 

8500  

Stal  

7800 

Bakelit 

1100-1600 

Ebonit 

1400-1800 

Duraluminium 

2750