background image

LABORATORIUM MECHANIKI EKSPERYMENTALNEJ 

Instrukcja do ćwiczenia 

 

1a 

 

Wyznaczanie momentów bezwładności elementów 

maszyn metodą wahadła skrętnego 

 

 
 
Cel 

ć

wiczenia 

Celem 

ć

wiczenia  jest  zapoznanie  z  eksperymentalnymi  i  analitycznymi  metodami 

wyznaczania momentów bezwładno

ś

ci cz

ęś

ci maszyn. W ramach realizowanego 

ć

wi-

czenia wykorzystuje si

ę

 metod

ę

 wahadła skr

ę

tnego. 

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. Moment dewiacyjny ciała sztywnego. 
3.  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. 

4. Twierdzenie Steinera. 
5. Analityczne wyznaczenie momentów bezwładno

ś

ci ciała zło

ż

onego z prostych ele-

mentów.  

 

Uwaga. Instrukcja dotyczy podstaw samego 

ć

wiczenia. Aby opanowa

ć

 powy

ż

sze 

zagadnienia nale

ż

y si

ę

gn

ąć

 do podanej literatury. 

 

Podstawy teoretyczne dotycz

ą

ce przeprowadzenia eksperymentu 

  Moment bezwładno

ś

ci wzgl

ę

dem osi informuje nas jak rozło

ż

ona jest masa obra-

caj

ą

cego si

ę

 ciała wokół osi obrotu. Jest to wielko

ść

 stała dla danego ciała sztywne-

go i przyj

ę

tej osi. W opisywanej metodzie moment bezwładno

ś

ci wyznacza si

ę

 eks-

perymentalnie  badaj

ą

c  okres  drga

ń

  skr

ę

tnych  badanego  elementu  zamocowanego 

za pomoc

ą

 cienkiego pr

ę

ta do wahadła o znanym momencie bezwładno

ś

ci. Schema-

tycznie stanowisko pomiarowe przedstawia rysunek 1 

background image

d

J

u

J

l

 

Rys. 1. Schemat stanowiska do badań drgań skrętnych wahadła 

W dalszej cz

ęś

ci instrukcji przyj

ę

to nast

ę

puj

ą

ce oznaczenia: 

Ju – moment bezwładno

ś

ci wahadła wzgl

ę

dem osi pr

ę

ta  

J – moment bezwładno

ś

ci badanego elementu wzgl

ę

dem tej samej osi 

k – stała spr

ęż

ysto

ś

ci pr

ę

ta 

ϕ

 – k

ą

t skr

ę

cenia pr

ę

ta.  

Dodatkowo  zakłada

ć

  b

ę

dziemy, 

ż

e  tłumienie  układu  (na  skutek  tarcia  we-

wn

ą

trz materiałowego, oporów ruchu w powietrzu itp.) jest pomijalnie małe. 

Równanie dynamiczne ruchu obrotowego przedstawionego układu bez tłumie-

nia  i  działania  momentów  sił  zewn

ę

trznych  (drgania  nietłumione  swobodne)  ma  po-

sta

ć

(

)

0

=

+

+

ϕ

ϕ

k

J

J

u

&

&

 

Stała spr

ęż

ysto

ś

ci pr

ę

ta okre

ś

lona jest zale

ż

no

ś

ci

ą

l

GI

k

=

 

gdzie: G – moduł spr

ęż

ysto

ś

ci poprzecznej materiału pr

ę

ta, 

 

I – biegunowy moment bezwładno

ś

ci przekroju pr

ę

ta. 

background image

Równanie ruchu mo

ż

emy przekształci

ć

 do postaci: 

0

2

=

+

ϕ

ω

ϕ

&

&

 

gdzie:   

ω

 – cz

ę

sto

ść

 drga

ń

 swobodnych, oraz: 

 

 

 

Wykorzystuj

ą

c zale

ż

no

ść

 pomi

ę

dzy okresem drga

ń

 

T

, który jest bezpo

ś

rednio 

mierzalny, a cz

ę

sto

ś

ci

ą

 otrzymamy: 

GI

l

J

J

T

u

)

(

2

2

+

=

=

π

ω

π

 

 

 

 

 

(1) 

Rozpatruj

ą

c wahadło bez badanego elementu otrzymamy analogicznie: 

GI

l

J

T

u

u

π

2

=

   

 

 

 

 

(2) 

Z równa

ń

 (1) i (2) otrzymujemy: 



=

1

2

2

u

u

T

T

J

J

  

 

 

 

 

(3) 

Aby  wyznaczy

ć

 szukany moment bezwładno

ś

ci elementu nale

ż

y przyj

ąć

 moment 

wahadła jako:   

]

[

 

10

)

1

,

0

4

,

3

(

2

3

kgm

J

u

±

=

 
Oszacowanie niepewno

ś

ci pomiarowej 

 
Masowy  moment  bezwładno

ś

ci  J  wyznaczamy  metod

ą

  po

ś

redni

ą

  wykorzystuj

ą

warto

ś

ci wielko

ś

ci mierzonych bezpo

ś

rednio i odpowiedni

ą

 zale

ż

no

ść

 pomi

ę

dzy wiel-

ko

ś

ciami. 

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

    

 

 

   (4)

 

 

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
Stosuj

ą

c  wzór  (4)  niepewno

ść

  oszacowania  momentu  bezładno

ś

ci  elementu 

wzgl

ę

dem osi pr

ę

ta wynosi: 

2

2

2

2

3

2

2

2

1

2

2





+



+



=

u

u

u

u

u

u

u

J

T

T

T

T

J

T

T

T

TJ

J

 

]

[

2

m

kg

 

(5) 

gdzie: 

u

u

J

T

T

,

,

  s

ą

 niepewno

ś

ciami pomiarowymi odpowiednich wielko

ś

ci. 

                                                            

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). 

)

(

)

(

u

u

J

J

l

GI

J

J

k

+

=

+

=

ω

background image

 
Przebieg 

ć

wiczenia 

 

Opis kolejnych kroków, które nale

ż

y wykona

ć

 znajduje si

ę

 w arkuszu sprawozda-

nia. Poni

ż

ej zwrócono uwag

ę

 na pewne istotne zagadnienia. 

 

  Nale

ż

y zmierzy

ć

 czas co najmniej 10 wahni

ęć

 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