Politechnika Łódzka

Filia w bielsku-Białej

ĆWICZENIE 13

Temat: Wyznaczanie przyspieszenia ziemskiego przy pomocy wahadła rewersyjnego.

1. Wstęp teoretyczny

Wahadłem rewersyjnym nazywamy bryłę sztywną , która zawieszona kolejno na dwóch osiach równoległych leżących po przeciwnych stronach jej środka ciężkości w nierównych od niego odległościach ma taki sam okres drgań :

( 1 )

gdzie :

I - moment bezwładności wahadła względem zawieszenia 0

m- masa wahadła

d - odległość środka ciężkości S wahadła od osi obrotu

Zgodnie z twierdzeniem Steinera : I = I_O + md ² ( 2 )

gdzie:

I₀ jest momentem bezwładności wahadła względem osi równoległej do osi
0 , lecz przechodzącej przez środek ciężkości wahadła

Zatem : ( 3 )

- oś obrotu bryły sztywnej

Istnieje inna oś obrotu P leżąca na linii OS po przeciwnej stronie środka ciężkości o własności takiej , że okres drgań wahadła wokół tej osi jest taki sam jak dla osi 0

( 4 )

Z porównania równań (3) i (4) wynika , że równość okresów będzie zachodzić , gdy :

( I_O + mr² ) = ( I_O + md² ) mgr ( 5 )

I_O ( d - r ) = mdr ( d - r ) ( 6 )

I_O = mdr ( 7 )

( 8 )

gdzie r - odległość od osi P do środka ciężkości wahadła .

Okres drgań wahadła można przedstawić w inny sposób , korzystając z równania ( 7 ) , gdzie moment bezwładności wahadła wyrażony jest odległością r .

Podstawiając równanie ( 7 ) do równań ( 3 ) i ( 4 ) otrzymujemy :

( 9 )

gdzie: l jest odległością między osiami O i P , dla których okres drgań wahadła jest taki sam .

Długość tą nazywamy długością zredukowaną wahadła .

Jak widać wzór ( 9 ) jest wzorem na okres drgań wahadła matematycznego o długości
l. Jeżeli więc dla danego wahadła fizycznego zostanie wyznaczona odległość między osiami zawieszenia o tym samym okresie drgań oraz zmierzona zostanie wartość tego okresu , możliwe jest wyznaczenie przyspieszenia ziemskiego poprzez przekształcenie równania ( 9 ):

2. Przebieg ćwiczenia

W celu wyznaczenia przyspieszenia ziemskiego posługujemy się wahadłem rewersyjnym, które miało postać stalowej sztaby na której znajduje się obciążnik M w kształcie dysku (rys.2). Istniała możliwość przesuwu obciążnika M i odczytu jego położenia na skali naniesionej na sztabę. Dwa pryzmaty przymocowane prostopadle do sztaby pełnią role osi zawieszenia O i P. Odległość osi jest zatem w doświadczeniu ustalona. Przesuwanie obciążnika wzdłuż sztaby powoduje zmianę położenia środka ciężkości wahadła względem osi.

W tabeli nr 1 znajdują się wyniki serii 15 niezależnych pomiarów czasu trwania t_n dziesięciu okresów drgań (n=10) bez zmian położenia masy M. Ponadto w tabeli znajduje się obliczona wartość średnia t_s i średni błąd kwadratowy S_t pojedynczego pomiaru.

Następnie został przesuwany obciążnik M po oznaczonych kreskach i dokonywany był pomiar dziesięciu okresów drgań t’, począwszy od pierwszej kreski znajdującej się od strony osi O. Odległość pomiędzy kolejnymi kreskami wynosi 5 cm. W dalszym etapie ćwiczenia zawieszone zostało wahadło na osi P i powtórzone pomiary jak w powyższym przypadku mierząc czasy t’’.

Wyniki ostatnich pomiarów (tj. k_n,t’,t’’) zamieszczone są w tabeli nr 2.

Wykonany został wykres zależności t’(k_n) i t’’(k_n) w tym samym układzie współrzędnych.

Krzywe znajdujące się na wykresie są parabolami o różnej rozwartości ramion, przecinającymi się w dwóch punktach. Punkty te odpowiadają takim położeniom masy M dla których okresy drgań względem obu osi zawieszeń są jednakowe, czyli dla których wahadło staje się wahadłem rewersyjnym.

Na podstawie wykresu odczytane zostały wartości czasów t₁ i t₂ dla punktów przecięcia się wykresów i obliczona wartość średnia t_o = (t₁ + t₂) / 2.

Z poniższych równań obliczone zostało przyspieszenie ziemskie oraz błąd bezwzględny .

g = 4 ² n² l / t_o² n = 10

g = g  l / l +  t / t

l = 0,005 m ; l = 1 m

Błąd wyznaczenia czasu t_o oszacowany został na podstawie porównania średniego błędu kwadratowego pojedynczego pomiaru S_t wyznaczonego w pierwszej części ćwiczenia, z wartością wyrażenia t_o = t₁ - t₂ / 2

3. Wyniki pomiarów i obliczenia

­­TABELA 1 .

t 1	t 2	t 3	t4	t 5	t 6	t 7	t 8	t 9	t 10	T	S^’t	t,m	St
17,28	17,16	17,22	17,5	17,53	17,35	17,62	17,47	17,44	17,53	17,4	0,0056	16,9	0.095

Czasy t1 - t10 oraz T i S_t podano w sekundach .

TABELA 2 .

Kn(cm)	5	10	15	20	25	30	35	40	45	50
t ’ ( s )	20.1	19,94	19,37	19,13	18,75	18,69	18,06	17,81	17,71	17,55
t ’’ ( s )	20,31	20,16	19,88	19,65	19,28	19,31	19,06	19,03	18,84	18,69

Kn(cm)	55	60	65	70	75	80	85	90	95
t ’ ( s )	17,40	17,34	17,37	17,60	18,03	18,41	18,66	19,57	19,88
t ’’ ( s )	18,68	18,56	18,71	18,90	19,03	19,12	19,32	19,54	19,90

Parametry wahadła przyjęte w obliczeniach :

l = 1 m , l = 0,001 m.

Śreni okres ruchu wahadła z 10-ciu prób :

Średni błąd kwadratowy średniej pomiaru okresu wahadła obliczamy:

s

Czasy t₁ i t₂ ( punkty przecięcia wykresów 1* i 2* ) wynoszą :

t₁ = 19,7 s , t₂ = 20,3 s .

Czas t₀ wynosi:

s

Wartość przyspieszenia ziemskiego obliczono według następującego wzoru :

[m/s²]

n =10

Błąd dokonanych pomiarów obliczono na podstawie następujących wzorów :

Ostateczny wynik pomiaru :

g= 9.8  0.2 [m/s²]

4. Wnioski

Jak widać wyznaczona wartość przyspieszenia ziemskiego po uwzględnieniu błędu (przedział wartości) zawiera wartość przyspieszenia ziemskiego. Można uzyskać lepsze wyniki gdyby wahadło było zaczepione na dokładniej wykonanych pryzmatach i gdyby do pomiaru czasu użyto fotokomórki (tor podczerwieni) , a także gdyby wahadło zostało zmierzone z większą dokładnością .