Rzeszów, dn. 06.11.2012r.

WYZNACZANIE MODUŁU SZTYWNOŚCI

METODĄ DYNAMICZNĄ

Ć wiczenie nr 11

Fizyka – laboratorium

Arkadiusz Bednarz

79326

1imd L1 (Grupa: 1)

1

Spis treści:

1. Zarys teoretyczny

2. Cel i przebieg ćwiczenia

3. Obliczenia i zestawienie wyników

4. Wnioski

1. Zarys teoretyczny

Ciało nazywamy sprężystym, jeżeli odkształcenia, wywołane działającymi na nie siłami, znikają zupełnie po usunięciu tych sił.

Istotę sprężystości można zrozumieć rozważając chociażby w przybliżeniu strukturę wewnętrzną ciała stałego. Każde ciało jest zbudowane z atomów lub cząsteczek, między którymi działają siły nazywane międzycząsteczkowymi. Siły te są w ciałach stałych na skutek małych odległości międzycząsteczkowych na tyle duże, że cząsteczki są dzięki temu uporządkowane, tworząc regularną strukturę przestrzenną, nazwaną siecią krystaliczną. Każda cząsteczka, nazywana w taki przypadku również węzłem sieciowym ma swoje położenie równowagi, wokół

którego wykonuje niewielkie, chaotyczne, zależne od temperatury ciała drgania. Powstanie stanu równowagi trwałej wynika z faktu, że między każdymi dwiema cząsteczkami występują dwojakiego rodzaju siły : przyciągania oraz odpychania, o niejednakowej zależności od odległości międzycząsteczkowej, przy czym siły odpychania rosną zawsze znacznie bardziej wraz ze zbliżaniem się cząsteczek niż siły przyciągania.

Prawo Hooke'a formułuje zależność między naprężeniem a odkształceniem: Jeżeli naprężenia w ciele są dostatecznie małe ,to wywołane przez nie odkształcenia względne są do nich wprost proporcjonalne.

2. Cel i przebieg ćwiczenia

• Praktyczne zapoznanie się z drganiami wahadła torsyjnego (skrętnego).

• Zapoznanie się z metodą pomiaru modułu sztywności materiału pręta za pomocą wahadła torsyjnego.

• Wyznaczenie wartości modułu sztywności.

a) Zmierzyć 10-krotnie średnicę (d=2r) badanego pręta. Wyznaczyć wartość średnią.

b) Zmierzyć długość pręta (L).

c) Zawiesić płytę o nieznanym momencie bezwładności na badanym pręcie i zmierzyć czas 40

okresów (40 T0).

d) Zmierzyć średnicę płyty (D=2R) o znanej masie (M=1,73 kg).

e) Zawiesić płytę o znanej masie i średnicy na osi badanego pręta (do płyty zawieszonej poprzednio) i powtórnie zmierzyć czas 40 okresów drgań

f) (40 T1).

g) Wyznaczyć moduł sztywności pręta korzystając z zależności: 2

8 ⋅ π ⋅ L ⋅ J 0

G = 4

r ⋅ ( 2

2

T − T

1

0 )

h) gdzie: J0- moment bezwładności dołączonej płyty o znanej masie i średnicy.

i) Wyznaczyć maksymalny błąd względny obarczający obliczoną wartość modułu sztywności G.

3. Obliczenia i zestawienie wyników

a) Pomiary

Średnica prętu

Promień płyty

d=2r [mm] ± 0,01 [mm]

R [mm] ± 0,05 [mm]

1

2,85

152,00

2

2,83

149,70

3

2,85

151,15

4

2,80

151,10

5

2,81

150,80

6

2,83

149,95

7

2,83

149,95

8

2,82

151,80

9

2,81

152,20

10

2,8

150,40

średnia

2,823

150,905

Tabela 1: Zestawienie wyników pomiarów ś rednic i promieni Wartości średnie zostały wyznaczone metodą średniej arytmetycznej.

1 płyta – 40 wahnięć – czas t1

2 płyty – 40 wahnięć – czas t2

[s] ± 0,01 [s]

[s] ± 0,01 [s]

1

45,62

64,09

2

45,84

64,01

3

45,30

64,10

4

45,53

64,96

5

45,49

64,54

6

45,34

64,23

7

45,65

średnia

45,538

64,322

Tabela 2: Zestawienie wyników pomiarów czasu Długość pręta L [mm] ± 10 [mm]

1

870

2

870

3

870

średnia

870

Tabela 3: Zestawienie wyników pomiaru długoś ci prę ta 3

b) Obliczenia modułu sztywności

ଵ

଴ =

∗ ∗ ଶ - moment bezwładności płyty

ଶ

= 1,73 [] - masa płyty

- promień płyty

̅ = 0,5 ∗ ̅ - promień pręta

௧ଶ

2 =

= 1,608 – okres drgań dwóch płyt

ସ଴

௧ଵ

1 =

= 1,138 - okres drgań jednej płyty

ସ଴

1

଴ =

∗ 1,73 ∗ (150,905 ∗ 10ିଷ)ଶ = 0,019698 [ ∗ ଶ]

2

ே

G – moduł sztywności (Kirchhoffa) [

] = []

௠మ

8 ∗ ∗ ∗ ଴

8 ∗ 3,14 ∗ 0,87 ∗ 0,019698

0,494815

= ̅

=

=

ସ ∗ (

2

ଶ − 1

ଶ) (0,5 ∗ 2,823 ∗ 10ିଷ)ସ ∗ (1,608ଶ − 1,138ଶ) 5,119 ∗ 10ିଵଶ

= 9,6656 ∗ 10ଵ଴[ ]

ଶ

c) Błąd obliczeniowy

Rachunek błędów metodą różniczki zupełniej

= , , , 2, 1

1

1

1

8 ∗ ∗ ∗ ∗ ଶ

8 ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ଶ

8 ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ 2

=

2

2

2

̅ସ ∗ 2

ଶ − 1

ଶ ∗ + − 4̅ଷ ∗ 2

ଶ − 1

ଶ ∗ + ̅ସ ∗ 2

ଶ − 1

ଶ ∗

1

1

8 ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ଶ

8 ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ଶ

+ −

2

2

̅ସ ∗ 2 ∗ 2

∗ 2 + −

̅ସ ∗ 2 ∗ 1

∗ 1

= 4832832,7 + 296,737 + 111449308126,3 + 337218530,2 + 476309581,4

= 112267669367,3[ ]

ଶ

d) Zbiorcze zestawienie wyników

= 9,6656 ∗ 10ଵ଴ ± 112267669367,3

ଶ

4. Wnioski

Przeprowadzone przez nas ćwiczenie potwierdziło założenia teoretyczne. Na podstawie obserwacji zmian zachodzących w naszym układzie pomiarowym, doszedłem do wniosku, iż wraz ze wzrostem masy i/lub średnicy płyty, wzrasta moment bezwładności, a także okres drgań. Pomimo dokładności z jaką wykonaliśmy to ćwiczenie, a także pomimo dokładności przyrządów, błąd przerósł obliczoną wartość o 116%. Wynika to z dokładności pomiaru długości pręta, a także z ilości wielkości wpływających na obliczenie modułu sztywności.

4