background image

Ć w i c z e n i e  36 

 

WYZNACZANIE MOMENTU BEZWŁADNOŚCI BRYŁY  

Z WYKORZYSTANIEM MASZYNY ATWOODA 

 
 

36.1. Wstęp teoretyczny 

 

Maszyna Atwooda służy do doświadczalnego sprawdzania praw kinematyki i dynamiki. W naj-
prostszym wykonaniu składa się ona z bloczka K (rys.36.1) umieszczonego w górne części piono-
wego pręta ze skalą S. Przez bloczek przechodzi cienka i mocna nić z zawieszonymi na końcach 
masami M. Dodatkowe obciążenie jednego z końców nici jest realizowane za pomocą jednakowych 
blaszek o masie m każda w ilości k. Właśnie ich ciężar jest przyczyną wprowadzającą układ ciężar-
ki-nić-bloczek w ruch jednostajnie przyśpieszony. 

W maszynie Atwooda mamy do czynienia z dwoma rodzajami ruchu jednostajnie przyśpieszonego: 
prostoliniowym ciężarków i obrotowym bloczka. 

• W ruchu prostoliniowym bezwładność ciała charakteryzowana jest przez jego masę m. 
Znajduje to odzwierciedlenie w drugiej zasadzie dynamiki dla tego ruchu, zgodnie z którą siła 
F nadaje ciału ruch o przyśpieszeniu a wprost proporcjonalnym do tej siły i odwrotnie pro-
porcjonalnym do masy ciała:     

 

 

 

   

 

 

 

 

  

a

F

=

 

m

• W ruchu obrotowym bezwładność ciała charakteryzowana jest przez jego moment bezwład-
ności J względem osi obrotu. Znajduje to odzwierciedlenie w drugiej zasadzie dynamiki dla 
tego ruchu, zgodnie z którą moment siły N nadaje ciału ruch o przyśpieszeniu kątowym 

ε

 

wprost proporcjonalnym do momentu siły i odwrotnie proporcjonalnym do momentu bez-
władności: 

   

 

 

 

 

ε =

N

J

 

Zdefiniujmy moment bezwładności bryły sztywnej. Załóżmy, że bryła obraca się wokół osi l ze sta-
łą prędkością kątową   i że składa się z n mas punktowych m

ω

i

 (rys. 36.2). Każda z tych mas posia-

da prędkość liniową v

i

 zależną od jej odległości od osi obrotu r

i

v

i

r

i

= ω

 oraz energię kinetyczną: 

 

2

2

i

i

2
i

i

ki

ω

r

m

2

1

v

m

2

1

E

=

=

 

 

Energia kinetyczna całej bryły jest sumą energii kinetycznych poszczególnych mas punktowych: 

 

 

 

 

 

 

=

=

=

=

n

1

i

2

i

i

2

n

1

i

ki

kO

r

m

ω

2

1

E

E

 

   (36.1) 

 

Porównajmy ten wzór z wyrażeniem na energię kinetyczną w ruchu postępowym:  

 

 

 

 

 

 

 

E

m v

kp

=

1
2

2

 

background image

Wiemy,  że odpowiednikiem prędkości liniowej v jest prędkość  kątowa 

ω

, a masy m - moment 

bezwładności J. 

Wzór na energię kinetyczną w ruchu obrotowym powinien mieć postać : 

 

 

 

 

 

 

E

J

kO

=

1
2

2

ω

    (36.2) 

Z porównania wzorów (36.1) (36.2) wynika definicyjna zależność na moment bezwładności bryły 

sztywnej: 

     

    

 

 

      (36.3)

 

 

=

=

n

1

i

2

i

i

r

m

J

S

B

A

K

Rys. 36.1.  Maszyna Atwooda. 

L

ω

m

m

m

i

i

i

+

-

1

1

r

r

r +

i

i

1

i

-

1

Rys. 36.2. Bryła sztywna w ruchu obrotowym wokół osi L. Należy zauważyć, że 

 . 

m

m

i

i

n

=

=

1

background image

Widać, że zależy on od wyboru osi obrotu oraz od sposobu rozłożenia masy ciała względem niej 
(czyli od kształtu ciała). 

Wychodząc z definicji (36.3) można teoretycznie obliczyć momenty bezwładności dla wielu regu-
larnych brył , uzależniając je od całkowitej masy m i od ich rozmiarów geometrycznych. 

Na przy-

kład: 

 

dla walca   

 

J

m

=

1
2

2

R

   

gdzie R - promień walca  

 dla 

kuli  

J

m

   

gdzie R - promień kuli  

R

=

2

5

2

 dla 

pierścienia  

(

J

m R

R

=

+

1
2

1

2

2

2

)

 gdzie R

1

 , R

2

 - promienie zewnętrzny i wewnętrzny  

 

A n a l i z a   r u c h u   m a s z y n y   A t w o o d a  

Na ciężarek A działają siły: ciężkości Mg i naprężenia nici T

1

 (rys. 36.3). Pod wpływem wypadko-

wej tych sił ciężarek porusza się do góry z przyśpieszeniem a. Zgodnie z II prawem Newtona dla 
ruchu postępowego możemy napisać: 

 

 

 

 

 

(

)

T

M g

M

1

=

a

    

 

   

 

(36.4) 

 

Podobnie ciężarek  B  będzie poruszał się (ale do dołu) pod wpływem wypadkowej siły ciężkości 
równej Mg + kmg i siły naprężenia nici T

2

. Analogicznie zgodnie z II prawem Newtona dla ruchu 

postępowego możemy napisać: 

 

 

 

(

)

(

)

M k m g

T

M k m

+

=

+

2

a

r

, który bę

       

 

 

 

(36.5) 

 

Przyśpieszenia obu ciężarków są jednakowe i wynoszą a, mają jednak inne zwroty, co już uwzględ-
niono w powyższych równaniach. 

Siły naprężenia nici T

1

 i T

2

 działają prostopadle do promienia r bloczka. Wytwarzają więc wypad-

kowy moment siły równy 

(

)

T

T

2

1

dzie obracał krążek z przyśpieszeniem kątowym 

ε

Zgodnie z II prawem Newtona dla ruchu obrotowego możemy napisać: 

 

 

 

 

 

(

)

T

T r

J

2

1

= ε

 

 

    (36.6) 

Ze względu na zależność a = 

ε

 r otrzymujemy 

(

)

T

T r

J

a

r

2

1

=

 i stąd po przekształceniu: 

 

 

 

 

 

 

(

)

T

T

J

r

a

2

1

2

=

 

   (36.7) 

 Wyliczając T

1

 i T

2

 ze wzorów (36.4), (36.5) i wstawiając do powyższej zależności otrzymujemy 

wyrażenie na przyśpieszenie w ruchu ciężarków w maszynie Atwooda : 

 

 

a

k m g

J

r

M

k m

=

+

+

2

2

 

    (36.8) 

background image

Z analizy tego wzoru wynika, że dla 

k m

M

〈〈

 przyśpieszenie a jest znacznie mniejsze od przy-

śpieszenia ziemskiego g. Fakt ten pozwala na łatwiejszy pomiar przyspieszenia układu przy stosun-
kowo niewielkiej wysokości przyrządu Atwooda, w odróżnieniu od pomiaru przyspieszenia przy 
spadku swobodnym. 

Otrzymanie dokładnych wyników jest uzależnione od możliwie mało obarczonych błędami pomia-
rów czasu. Do pomiarów czasu przy obserwacjach dokonywanych na maszynie Atwooda służą 
szybkie 

chronometry lub elektroniczne mierniki czasu. 

B

A

Mg

T

1

T

2

T

1

T

2

r

+

Mg kmg

Rys. 36.3. Siły działające na ciężarki i bloczek w maszynie Atwooda. 

 

W  ćwiczeniu dokonuje się pomiaru przyśpieszenia a, co pozwala na wyznaczenie momentu bez-
władności bloczka K: 

 

 

J

k m g

M a

k m a

a

r

=

2

2

 

 

   (36.9) 

 

Przyśpieszenie a wyznaczamy mierząc czas t , w którym ciężarki pokonują stałą drogę S. Ponieważ 
ciężarki rozpoczynają ruch bez prędkości początkowej, przyśpieszenie a wyznaczamy z zależności   

a

S

t

=

2

2

 . 

Umieszczając na osi bloczka dodatkowe ciało (w ćwiczeniu metalowy pierścień), korzystając z wy-
prowadzonych zależności, można wyznaczyć moment bezwładności J

C

 , będący sumą momentu 

bezwładności bloczka J

U

, i dołożonego ciała J

b

 . Szukany moment bezwładności jest więc równy 

różnicy: 

 

 

 

 

 

J

J

J

b

C

U

=

   

 

 

 

           (36.10) 

 

background image

36.2. Opis układu pomiarowego 

 

Do sterowania maszyną Atwooda służy elektroniczny blok zasilająco-pomiarowy „Polydigit 1”. 
Sprzężony on jest z elektromagnesem wyzwalającym ruch ciężarków oraz z dwoma fotokomórka-
mi. Dzięki temu pomiar czasu spadku ciężarków na określonej drodze odbywa się elektronicznie. 
Blok „Polydigit 1” jest wyposażony w sześć dwupozycyjnych przycisków. W ćwiczeniu używane 
są tylko cztery z nich (numeracja od lewej do prawej): 

 1) 

Włącznik bloku. 

 

2) Czerwony, opisany „Null” - służy do zerowania zegara. 

3) Opisany „1000Hz” - określa dokładność zegara - podczas wykonania pomiarów musi być 

stale wciśnięty. 

4) Opisany „Messen” - służy do sterowania elektromagnesem. W górnej pozycji elektroma-

gnes jest włączony, a w dolnej wyłączony. 

Ciężarki A  i  B mają jednakową masę M. Na ciężarek B mogą być nakładane blaszki o znanej ma-
sie m

o.

 Przed każdym pomiarem ciężarek A utrzymywany jest przez elektromagnes (przycisk 6 nie 

jest wciśnięty). Wciśnięcie przycisku 6 powoduje wyłączenie prądu płynącego przez elektromagnes 
i rozpoczęcie ruchu ciężarków, jeżeli na ciężarek B nałożona jest co najmniej jedna blaszka. Przy-
cisk 6 włącza jednocześnie zegar elektroniczny, który mierzy czas pomiędzy wyłączeniem prądu 
elektromagnesu a przecięciem przez ciężarek B światła padającego na fotokomórkę. Drogę ruchu 
ciężarków zmieniamy poprzez położenie fotokomórki. 

Do osi bloczka można przymocować metalowy pierścień, którego moment bezwładności należy 
wyznaczyć. 

 

 

 

Parametry układu:  

Parametry pierścienia: 

 

 

 

r

mm

M

m

g

=

±

=

±

=

±

98 1

2

507 1

15 3 0 1

,

,

g

m

m

 

 

m

g

R

m

R

m

p

=

±

=

±

=

±

2001 1

100 0 5

164 0 5

1

2

,

,

  

 

36.3. Przebieg pomiarów 

 

1. Zaznajomić się z działaniem układu pomiarowego. 

2. Włączyć „Polydigit 1” przez wciśnięcie przycisku (1), przycisku 1000 Hz i przycisku „Sieć” w 

zasilaczu (6V, 50 Hz) żarówek fotokomórek. Obciążyć ciężarek B czterema blaszkami. 

3. Ciężarek A opuścić do zetknięcia się z elektromagnesem. 

4. Opuścić fotokomórkę (kręcąc korbą) na odległość S (90 cm). Zmierzyć tę odległość 10 razy. 

Określić błąd pomiaru. 

5.  Przyciskiem „Messen” wyłączyć elektromagnes; jednocześnie włącza się pomiar czasu. W mo-

mencie przecięcia  światła padającego na fotokomórkę przez ciężarek B pomiar czasu jest za-
trzymany i czas t przebycia drogi S jest wyświetlany na przyrządzie „Polydigit 1”. Czas ten za-
notować. 

6.  Pomiary punktów 3-5 wykonać piętnastokrotnie. 

U w a g a :

 Przesuwając ciężarek B do góry należy ominąć nim fotokomórkę ! 

7. Założyć na oś bloczka metalowy pierścień i powtórzyć pomiary wg punktów 3-6. 

background image

 

                                             

36.4. Opracowanie wyników pomiarów 

 

1. Obliczyć średnią drogę spadku ciężarków 

S

2.  Dla obu serii pomiarowych ze średniego czasu 

t

 ruchu układu obliczyć jego przyspieszenia  a . 

3.  Na podstawie wzoru (36.9) obliczyć wartości J

U

 i J

C

 . 

4. Obliczyć moment bezwładności J

b

 pierścienia (wzór 36.10). 

5.  Przy pomiarach popełniono błędy przypadkowe. Pomiary wykonywano 15 razy. Ta ilość jest 

wystarczająca, żeby błędy oceniać zgodnie z rozkładem normalnym. Obliczyć odchylenia stan-
dardowe 

σ

σ  

S

t

i

.

6. Obliczyć średni błąd kwadratowy 

σ

σ

a

i

b

J

 (m, M, g przyjąć, że nie są obarczone błędami). 

7. Obliczyć teoretycznie moment bezwładności pierścienia i porównać z wynikiem otrzymanym 

doświadczalnie. 

 

36.5. Pytania kontrolne 

 

1. Sformułować II zasadę Newtona dla bryły w ruchu obrotowym. 

2. Zdefiniować pojęcia: przyspieszenie kątowe, moment bezwładności, moment pędu. 

3. Jak wyznaczyć przyspieszenie ziemskie oraz moment bezwładności układu za pomocą przyrządu 
Atwooda? 

 

L i t e r a t u r a 

 

[1] Piekara A.: Mechanika ogólna. PWN, W-wa 1964. 

[2] Szczeniowski S.: Fizyka doświadczalna, cz.I. Mechanika i akustyka, PWN, W-wa 1980.