Лабораторная работа №5. Определение времени соударения шаров и модуля Юнга

Цель работы: изучение законов сохранения импульса и энергии, определение времени соударения шаров и модуля Юнга.

Оборудование: лабораторная установка «удар шаров» (рис. 14), сменные шарики, весы. На двух парах металлических проводов установки подвешены два сменных латунных или стальных шара. Один из шаров может удерживаться в отклоненном состоянии электромагнитом ЭМ. Клавиша (3) «пуск» отключает питание электромагнита, отклоненный шар освобождается и ударяет по второму шару. Шары являются элементами электрической цепи, которая замыкается в момент удара. Время протекания тока по цепи измеряется таймером, установленным внутри электронного блока, а на табло фиксируется время соударения шаров. Чтобы включить электронный блок, необходимо нажать клавишу (1) «сеть». Клавиша (2) «сброс» обнуляет таймер. При этом включается электромагнит, удерживающий первый шар. Все шары, используемые в работе, имеют сквозное отверстие с резьбой и накручиваются на вертикальные стержни, закрепленные на проводах - подвесах. По нижней части стержня можно считывать угол отклонения шара.

Рис. 14. Установка «удар шаров»: электромагнит удерживает шар в отклоненном положении.

Теория эксперимента. Рассмотрим соударение двух одинаковых шаров.Отклоним один из шаров на угол α и рассмотрим соударение шаров в системе центра масс. Отклоненный шар обладает потенциальной энергией

, (1)

где L – длина подвеса, m – массы шаров.

Когда шар приходит в движение, его потенциальная энергия переходит в кинетическую. Если v - скорость первого шара относительно второго, то в системе центра масс его скорость равна . В системе центра масс каждый шар обладает кинетической энергией:

. (2)

Согласно теореме Кёнига, кинетическая энергия системы, состоящей из двух тел равна сумме кинетических энергий этих тел в системе центра масс и кинетической энергии всей массы системы, состоящей из массы тел системы, мысленно сосредоточенной в ее центре масс. Поскольку массы шаров равны, кинетическая энергия системы двух тел в момент их соударения равна:

. (3)

Здесь v₀ – скорость первого шара относительно второго перед соударением, - скорости шаров в системе центра масс и скорость центра масс в лабораторной системе отсчета. Известно, что , поэтому формула (1) для потенциальной энергии примет вид:

, (4)

где l – длина дуги, по которой отклонялся шар, l=αL. Перед столкновением кинетическая энергия системы шаров (3) будет равна потенциальной энергии отклоненного шара (4):

. (5)

После начала движения скорость шаров в системе центра масс будет меняться от нуля до значения и будет функцией времени .

При столкновении шары сдавливаются и сближаются на некоторое расстояние h, скорость каждого шара в системе центра масс связана со сближением шаров выражением

. (6)

Потенциальная энергия сжатия для двух шаров была впервые получена Г. Герцем. Она имеет вид:

, (7)

где коэффициент пропорциональности k имеет вид:

, (8)

здесь E - модуль Юнга, μ – коэффициент Пуассона, R – радиус шаров. Во время столкновения шары деформируются, но продолжают двигаться навстречу друг другу. При этом их кинетическая энергия уменьшается, а потенциальная энергия растет. Кинетическая энергия каждого из сталкивающихся шаров, двигающихся навстречу друг другу со скоростями в системе центра масс будет равна:

. (9)

Кинетическая энергия центра масс в лабораторной системе отсчета:

, (10)

а их сумма с потенциальной энергией деформации равна кинетической энергии системы в лабораторной системе отсчета перед столкновением:

. (11)

Скорость шаров обратится в ноль в точке максимального сближения (рис. 15), когда

. (12)

Расстояние h₀ «взаимного проникновения» шаров найдем из условия равенства нулю скорости шаров, :

. (13)

Сделаем грубую оценку времени столкновения шаров (считая, что каждый шар проходит расстояние , двигаясь со скоростью , тогда как на самом деле скорости шаров изменяются во времени):

. (14)

В работе [1] оценка этого времени выполнена более строго. Согласно [1] время столкновения должно быть равно:

. (15)

Подставим в эту формулу выражения для скорости и коэффициента упругости шара.

. (16)

Зная время взаимодействия шаров, найдем значение модуля Юнга:

. (17)

Ход работы. Все заключения теоретической части относятся к центральному удару. Поэтому, прежде всего, проверьте правильность подвеса шаров. Шары должны находиться на одинаковом уровне, точки подвеса нитей должны быть расположены друг напротив друга, длины нитей подвеса должны быть одинаковыми.

1. Измерьте с помощью штангенциркуля диаметры шаров и высоту подвеса шаров при помощи линейки.

2. Передвигая электромагнит на различные углы от 7⁰ до 15⁰, и меняя угол на 1⁰, исследуйте зависимость времени соударения стальных шаров от угла α. Для каждого угла рассчитайте коэффициент линейной зависимости , где . Результаты занесите в таблицу:

α1								A
70
80
…

3. Повторите измерения пункта 2 для латунных шаров.

Обработка результатов. Для двух типов шаров постройтена одном листе две зависимости и . Для стальных шаров, пользуясь табличными значениями коэффициента Пуассона μ и плотности ρ, рассчитайте модуль Юнга по формуле:

. (18)

С учетом ошибок измерения R и L, вычислите ошибку в определении модуля Юнга. По тангенсу угла наклона прямой A₂ для латуни, а также по табличным значениям коэффициента Пуассона μ и плотности ρ, для стали и для латуни, рассчитайте модуль Юнга для второй пары шаров, пользуясь формулой:

. (19)

Рассчитать погрешность величины E₂.

Контрольные вопросы

1. Какой удар называется абсолютно упругим?

2. Какой удар называется абсолютно неупругим?

3. Получить формулы для скоростей тел после абсолютно упругого центрального удара в лабораторной системе отсчета.

4. Получить выражения для скоростей тел после абсолютно неупругого центрального удара в лабораторной системе отсчета.

5. Выполнить преобразования для нахождения скоростей тел после абсолютно упругого центрального удара в системе центра масс.

6. Найти скорость тел после абсолютно неупругого центрального удара в системе центра масс.

7. Ледокол, ударяясь о льдину массы M, отбрасывает ее, сообщив ей скорость v м/c. Давление ледокола на льдину нарастает равномерно во времени при сближении ледокола со льдиной и также равномерно убывает, когда они расходятся. Найти максимальную силу давления льдины на борт корабля, если удар продолжался τ с.

8. Движущийся шар налетает на неподвижный шар той же массы и отклоняется. Под каким углом разлетаются шары после удара? Удар абсолютно упругий.

9. Какие факторы не учитывались в задаче? Оцените их влияние.

Литература: [4] - §34, 35, 81,87, 88

Список литературы

1. Матвеев А.Н. Механика и теория относительности. М.: Высшая школа, 1986.

2. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Т. I. Механика. М.: ФИЗМАТЛИТ; Изд-во МФТИ, 2002.

3. Хайкин С.Э. Физические основы механики. 2-е изд. М.: Наука, 1971.

4. Стрелков С.П. Механика. 3-е изд. М.: Наука, 1975.

5. Стрелков С.П. Введение в теорию колебаний. М.: Наука, 1975.

6. Общий физический практикум. Механика /Под ред. А.Н. Матвеева, Д.Ф. Киселева. – М.: Изд-во МГУ, 1991.

7. Тейлор Дж. Введение в теорию ошибок. Пер. с англ.- М.: Мир, 1985.

8. Пытьев Ю.П. Методы анализа и интерпретация эксперимента. М.: Изд-во МГУ, 1990.

9. Пытьев Ю.П. Математические методы анализа эксперимента. М.: Высшая школа, 1989.

10. Сквайрс Дж. Практическая физика. М.: Мир, 1971.

11. Китель Ч., Найт В., Рудерман М. Механика: Учебное руководство: Пер. с англ. – М.: Наука, 1983.

Приложение. Таблица коэффициентов Стьюдента

Число измерений (n)	Надежность (α)
0,5	0,6	0,7	0, 8	0,9	0,95	0,98	0,999
	1, 00	1,38	1, 96	3, 07	6, 31	12, 71	31, 82	636,62
	0,82	1, 06	1, 39	1, 89	2, 92	4, 30	6, 96	31, 60
	0, 76	0, 98	1, 25	1, 64	2, 35	3, 18	4, 54	12, 92
	0, 73	0, 94	1, 19	1, 53	2, 13	2, 78	3, 75	8, 61
	0, 73	0,92	1, 16	1,48	2,02	2,57	3,36	6,87
	0, 72	0, 91	1,13	1, 44	1, 94	2,45	3,14	5,96
	0, 71	0, 90	1,12	1, 41	1, 90	2,36	3,00	5,41
	0, 71	0, 90	1,11	1, 40	1, 86	2,31	2,90	5,04
	0, 70	0,88	1,10	1, 38	1, 83	2,26	2,82	4,78

[1] Эмпирический – основанный на опыте.