Теория метода и описание установки

Опытные исследования закона вращательного движения в данной работе проводятся при помощи прибора, (маятник Обербека) изображенного на рисунке 2.5.

Рисунок 2.5

Он состоит из четырех стержней и двух шкивов, укрепленных на одной горизонтальной оси. Стержни укреплены на одном из шкивов под углом 90⁰ друг к другу. На второй шкив диаметром D намотана нить, к концу которой привязан груз массой m.

По стержням могут перемещаться и закрепляться в нужном положении четыре груза одинаковой массы m₀ (по одному на каждом стержне). Грузы закрепляются симметрично так, чтобы центр тяжести совпадал с осью вращения.

Маятник приводится во вращательное движение грузом m. Если дать возможность грузу падать, то вращающий момент, приводящий маятник в движение, создается действием силы натяжения разматывающейся нити (рисунок 2.6).

Рисунок 2.6

Если учесть силы трения в подшипниках, за счет которых создается тормозящий момент этих сил, то уравнение движения маятника будет иметь вид:

и , (2.16)

которое выражает второй закон Ньютона.

В соотношении (2.16) – плечо силы натяжения, D – диаметр шкива, I – момент инерции маятника и деталей, вращающихся с ним (вал, шкив, грузы на нем), ε – угловое ускорение, М_тр. – момент сил трения.

На груз p действуют противоположно направленные силы и .

Уравнение поступательного движения груза на нити имеет вид:

, (2.17)

где – сила тяжести груза P,

– сила натяжения, действующая на груз со стороны нити.

В проекциях на ось y, уравнение движения груза можно записать в форме:

. (2.18)

Из этого уравнения определяется сила натяжения:

. (2.19)

К шкиву приложена сила , равная силе натяжения нити (по третьему закону Ньютона). Подставляя найденную силу F_н в уравнение (2.16), получим:

(2.20)

Линейное ускорение падающего груза a определяется из уравнения пути равноускоренного движения:

или , (2.21)

где h₁ –расстояние, проходимое грузом при падении до нижней точки (h₁=ОС, рисунок 2.5),

t – время падения груза.

Тангенциальное ускорение любой точки на боковой поверхности шкива равно ускорению падающего груза. Поэтому угловое ускорение ε определяется соотношением:

. (2.22)

Из уравнения (2.20) находим величину момента инерции системы:

. (2.23)

Момент инерции вала и шкива ничтожно малы по сравнению с моментом инерции маятника, поэтому полученное уравнение можно считать как расчетную формулу в предлагаемом методе измерения момента инерции I.

Для определения момента инерции по формуле (2.23) необходимо определить момент силы трения в подшипниках. Момент сил трения можно вычислить исходя из следующих соображений. Груз в начальном состоянии (до опускания груза) находится на высоте h₁ относительно нижнего положения и имеет потенциальную энергию

. (2.24)

Опустившись на полную длину шнура, груз начинает подниматься вверх, а нить будет наматываться на шкив в противоположную сторону (маятник по инерции будет вращаться в прежнем направлении). При этом груз P поднимется на высоту h₂ меньшую h₁ (h₂ = ВС, рисунок 2.5). Потенциальная энергия груза примет значение (рисунок 2.5).

Уменьшение потенциальной энергии обусловлено тем, что часть ее расходуется на совершение работы против сил трения:

. (2.25)

Следовательно, имеем:

, (2.26)

где М_тр.·φ – работа сил трения,

М_{тр .} – момент сил трения,

φ- общий угол поворота маятника за время его движения (от начала движения с высоты h₁ от точки О до подъема на высоту h₂ до точки В).

Угловое перемещение определяется формулой:

. (2.27)

Из уравнений (2.26) и (2.27) получим выражение момента сил трения

. (2.28)

По результатам измерений вычислить линейное ускорение а (2.21), угловое ускорение (2.22), момент сил трения (2.28), вращающий момент (2.20), момент инерции по формуле

(2.29)

и проверить соотношение:

, (2.30)

где I₁ – момент инерции,

ε₁ – угловое ускорение движения маятника без грузов,

I₂ – момент инерции,

ε₂ – угловое ускорение маятника при движении с грузами.

Момент инерции крестовины маятника без грузов находится по формуле (рисунок 2.7)

, (2.31)

где m_ст – масса стержня,

1/3m_стl² – момент инерции стержня относительно оси вращения, проходящей через его конец,

l – длина стержня.

Рисунок 2.7

Момент инерции маятника с грузами определяется как сумма момента инерции крестовины I_кр. и четырех грузов массой m₀. Так как размеры грузов малы по сравнению с расстоянием от оси вращения до их центров масс, то момент инерции грузов можно рассматривать как момент инерции материальных точек. Поэтому момент инерции маятника с грузами определяется формулой:

, (2.32)

где R – расстояние от оси вращения до центра масс грузов.