Wyznaczanie momentu bezwladnosci, Cwiczenie 01 g, Laboratorium z fizyki Aneta Radek


Laboratorium z fizyki

ćwiczenie nr 1. Inżynieria Środowiska

Wyznaczanie momentu bezwładności i sprawdzenie twierdzenia Steinera.

1. Cel ćwiczenia:

- określenie zależności okresu drgań wahadła od momentu bezwładności;

- doświadczalne potwierdzenie twierdzenia Steinera;

- wyznaczanie momentu bezwładności ciał względem osi przechodzącej przez środek masy;

2. Podstawowe wzory i twierdzenia:

Fizyczny sens momentu bezwładnosci można wyprowadzić z analizy drugiej zasady dynamiki dla ruchu obrotowego w odniesieniu do zasad dynamiki Newtona. Równanie 0x01 graphic
0x01 graphic
określa moment siły jako iloczyn momentu bezwładności i przyspieszenia kątowego. Wprowadzenie pojęcia momentu bezwładności jest uzasadnione ze względu na różne prędkości liniowe ( przy stałej prędkości kątowej ) elementów masy oddalonych o r od punktu obrotu danego ciała 0x01 graphic

I = 0x01 graphic
dm

W ruchu harmonicznym rozwiązaniem równania całkowego: 0x01 graphic
= - 0x01 graphic
;

m - masa ciała;

g - przyspieszenie ziemskie;

d - odległość punktu obrotu ciała od środka ciężkości;

α - kąt określający odchylenie od osi pionowej;

I - moment bezwładności;

jest funkcja: α = α 0 sin (ωt + ϕ 0 ) ; ω = 0x01 graphic
.

Ruch ten charakteryzuje się powtarzalnością określonych wartości fizycznych opisujących ten ruch lub stan, a najkrótszy czas po którym powtarzają się wszystkie wartości charakteryzujące drganie nazywamy okresem:

T = 0x01 graphic
0x01 graphic
= 2π * 0x01 graphic
; - z czego wynika proporcjonalna zależność okresu drgań od momentu bezwładności.

Ze wzoru tego można wyliczyć także moment bezwładności ciała względem osi obrotu:

I = 0x01 graphic
, jednak w praktyce często przydatna jest znajomość momentu bezwładności względem osi przechodącej przez środek ciężkości ciała. W takim przypadku można posłużyć się prawem Steinera:

I - I0 = md2 ; I - moment bezwładności wzg. osi obrotu;

I0 - moment bezwładności wzg. osi środkowej;

Rozwinięta postać prawa Steinera pozwala wyliczyć różnicę momentów wzg. osi oddalonych o d1 i d2 od środka ciężkości ciała:

I2 - I1 = m(d22 - d12) co po podstawieniu daje:

T22 g d2 - 4π2 d22 = T12 g d1 - 4π2 d12 = const = C.

Stała C daje możliwość wyliczenia ( na podstawie doświadczalnego wyznaczenia różnicy I2 - I1 ) momentu bezwładności względem osi przechodzącej przez środek ciężkości:

I 0 = 0x01 graphic
C.

3. Pomiary i przebieg ćwiczenia:

3.1. W pierwszym etapie zajmujemy się badaniem zależności okresu drgań wahadła fizycznego od momentu bezwładności. W tym celu wyznaczamy okres wahania ( na podstawie 100 drgań ) metalowej tarczy zmieniając odległość od osi obrotu do środka ciężkości metalowej tarczy o masie:

MT = 1064.42 g

WYNIKI:

Tabelka pomiarów:

i := 1..3;

di [ cm ]

t1 [s]

t2 [s]

t3 [s]

tśr [s]

Ti [s]

7.475

70

69

69.2

69.4

0.694

5.005

69

68.2

69.2

68.8

0.688

2.525

77.8

78

77.6

77.8

0.778

Objaśnienia do tabelki:

- d - odległość osi obrotu od środka ciężkości tarczy;

- t - czas wykonania 100 drgań;

- T - okres drgań tarczy T = t/100;

Obliczenia przykładowe:

C = T2 g d - 4π2 d2

C1 = (0.694)2 * 9.8066 * 0.07475 - 4 * (3.141592654)2 * (0.07475)2 = 0.1325

C = [ s2 * m/s2 * m - m2 ] = [ m2 ]

δC = 2 d * [ T g δT + 4π2 δd ]

δC1 = 2 * 0.07475 * [ 0.694 * 9.8066 * 0.1*10 -2 + 4 * (3.141592654)2 * 0.00001) = 0.001

δT = 0.1 * 10 -2 s

δd = 0.01 mm

I = 0x01 graphic
;

I1 = [(0.694)2 * 1.06442 * 9,8066 * 0.07475] / [ 4 * (3.131592654)2 = 9.5192 * 10-3

Tabelka wyników:

i

Ti [s]

di [ m ]

Ii [kg m2]

Ci [m2]

δCi [m2]

1

0.694

0.07475

9.5192*10-3

0.1325

0.001

2

0.688

0.05005

6.2640*10-3

0.1334

7.149*10-4

3

0.778

0.02525

4.0410*10-3

0.1247

4.052*10-4

Objaśnienia do tabelki:

T - okres drgań dla danej odległości d;

d - odległość osi obrotu od środka ciężkości;

I - moment bezwładności względem osi obrotu w odległości d od środka ciężkości

C - stała dla danego T ,d;

- wyznaczanie stałej C i błędu względnego:

C = 0x01 graphic
= 0.1302 m2;

δC = 0x01 graphic
= 2.1382 * 10 -3

- wyznaczanie momentu bezwładności i jego błędu względem osi środkowej :

I0 = 0x01 graphic
= 0x01 graphic
= 3.510585 * 10-3 kg m2

δM = 0.1 * 10-3

δ I0 = 1/(4π2) * ( MT * δC + C * δM) = 5.798 * 10 -5

3.2. Doświadczalne sprawdzenie prawa Steinera.

Wyznaczamy moment bezwładności dla pierścienia:

Mp = 222 g = 0.222 kg

δM = 0.1 * 10-3 kg

R = 5.975 cm = 0.05975 m

r = 5.225 cm = 0.05225 m

wzgędem osi obrotu oddalonej o d = 0.05225 m od środka ciężkości pierścienia:

Tabelka pomiarów:

i

ti [s]

tśr [s]

T [s]

1

67.6

2

67.3

67.3

0.673

3

67

Wyniki:

- liczenie momentu bezwładności wzgędem osi O:

I = 0x01 graphic
= 0x01 graphic
= 1.305 * 10-3 kg m2

δ I = T* 0x01 graphic
( 2M0 * d * δT + t * d * δM0 + T * M0 * δd ) = 4.716 * 10-6 kg m2

- mając obliczony moment bezwładności wzg. osi O możemy korzystając z prawa Steinera obliczyć moment bezwładności względem osi środkowej:

I0 = I - md2 = 1.305 * 10-3 - (0.222 * 2.7300 * 10-3 ) = 6.9894 * 10-4 kg m2

- ze wzoru tablicowego I01 = 0x01 graphic
M0 * [ r2 + R2 ] = 6.9931 * 10-4 kg m2

- z błędem δ I01 = (1/2) * δM0 ( r2 + R2 ) + M0 ( r*δd + R*δd ) = 5.636 * 10-7

0x01 graphic
- z czego obliczymy określamy dokładność pomiarów: ((I01 - I0 )/ I01 )* 100% = 0.053 %

Wnioski:

Charakterystyka momentu bezwładności przeprowadzona w ćwiczeniu nr 8 ( część pierwsza ) wskazuje na zależność między badanym momentem, a okresem drgań metalowej tarczy, którego wartość wiąże się z odległością osi obrotu badanego ciała od środka ciężkości. Poszczególne wartości momentu maleją wraz ze wzrostem okresu T i zmniejszeniem odległości osi obrotu od osi środkowej.

Uzasadnienie zmian wartości momentu bezwładności leży w definicji określającej I jako całkę kwadratu odległości r po masie m. Zależność momentu i odległości jest więc wprost proporcjonalna, co dokładnie określa wzór przedstawiony we wstępie teoretycznym. Ścisłe zależności między okresem T, a odległością d i momentem bezwaładności I dały w efekcie możliwość wyprowadzenia pewnej wielkości C = const (dla każdego d i odpowiadającego mu T) która pozwala wyliczyc moment bezwładności wzg. osi środkowej. W naszych pomiarach teoria ta potwierdziła sie ( z niewielkiemi odsępstwami zniwelowanymi rachunkiem błędów ), co umożliwiło otrzymanie bardzo dokładnej wartości momentu bezwładności tarczy metalowej, względem osi przechodzącej przez środek ciężkości.

W drugiej części ćwiczenia zajeliśmy się sprawdzaniem prawa Steinera. Wyznaczenie momentu bezwładności pierścienia wzg osi oddalonej o odległość d od środka ciężkości dało ( zgodnie ze sprawdzanym prawem ) możliwość wyznaczenia I0 ( wzg. osi środkowej ). Nasze empiryczne wyniki po porównaniu z wynikiem ustalonym na podstawie wzoru tablicowego okazały się poprawne, czym udowodniliśmy słuszność prawa Steinera.



Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
01, Cwiczenie 01 g, Laboratorium z fizyki
Wyznaczanie momentu bezwladnosci, Cwiczenie 01 c, Politechnika Wrocławska
Wyznaczanie momentu bezwladnosci, Cwiczenie 01 h, steiner
Wyznaczanie momentu bezwladnosci, 08, POLITECHNIKA WROCŁAWSKA INSTYTUT FIZYKI_
Wyznaczanie momentu bezwladnosci, 08, POLITECHNIKA WROCŁAWSKA INSTYTUT FIZYKI_
01 Wyznaczanie momentu bezwładności ciał metodą wahadła fizycznego i sprawdzenie twierdzenia Steiner
Wyznaczanie momentu bezwladnosci, 01, Andrzej
Wyznaczanie momentu bezwładności żyroskopu1, Akademia Morska, I semestr, FIZYKA, Fizyka - Laboratori
wyznaczanie momentu bezwładności ciał względem osi siatkowej, cwiczenie nr.8
wyznaczanie momentu bezwładności ciał i twierdzenie Steinera, cwiczenie nr.8
wyznaczanie momentu bezwładności - ściąga, Fizyka
Wyznaczanie momentu bezwładności brył nieregularnych, Pollub MiBM, fizyka sprawozdania
Wyznaczanie momentu bezwładności brył za pomocą drgań skrę(1 (2), Sprawozdania - Fizyka
Wyznaczanie momentu bezwładności brył za pomocą drgań skrętn (2), Wyznaczanie przyśpieszania ziemski
Lab4, Wyznaczanie momentu bezwładności

więcej podobnych podstron