Wyznaczenie przyspieszenia ziemskiego za pomocą wahadła rewersyjnego



Podobne dokumenty
Wyznaczanie przyspieszenia ziemskiego za pomocą wahadła rewersyjnego (Katera)

Ćwiczenie M-2 Pomiar przyśpieszenia ziemskiego za pomocą wahadła rewersyjnego Cel ćwiczenia: II. Przyrządy: III. Literatura: IV. Wstęp. l Rys.

Opis ćwiczenia. Cel ćwiczenia Poznanie budowy i zrozumienie istoty pomiaru przyspieszenia ziemskiego za pomocą wahadła rewersyjnego Henry ego Katera.

PF11- Dynamika bryły sztywnej.

Wyznaczanie modułu sprężystości za pomocą wahadła torsyjnego

O 2 O 1. Temat: Wyznaczenie przyspieszenia ziemskiego za pomocą wahadła rewersyjnego

Ćw. nr 31. Wahadło fizyczne o regulowanej płaszczyźnie drgań - w.2

Nazwisko i imię: Zespół: Data: Ćwiczenie nr 1: Wahadło fizyczne. opis ruchu drgającego a w szczególności drgań wahadła fizycznego

Ćw. nr 1. Wyznaczenie przyspieszenia ziemskiego za pomocą wahadła prostego

WYDZIAŁ LABORATORIUM FIZYCZNE

Tutaj powinny znaleźć się wyniki pomiarów (tabelki) potwierdzone przez prowadzacego zajęcia laboratoryjne i podpis dyżurujacego pracownika obsługi

Wyniki pomiarów okresu drgań dla wahadła o długości l = 1,215 m i l = 0,5 cm.

Bryła sztywna. Fizyka I (B+C) Wykład XXI: Statyka Prawa ruchu Moment bezwładności Energia ruchu obrotowego

Bryła sztywna. Wstęp do Fizyki I (B+C) Wykład XIX: Prawa ruchu Moment bezwładności Energia ruchu obrotowego

WYZNACZANIE MOMENTU BEZWŁADNOŚCI CIAŁ METODĄ WAHADŁA FIZYCZNEGO GRAWITACYJNEGO I SPRAWDZANIE TWIERDZENIA STEINERA ĆWICZENIE

Rys. 1Stanowisko pomiarowe

T =2 I Mgd, Md 2, I = I o

ĆWICZENIE 5. Wyznaczanie przyśpieszenia ziemskiego przy pomocy wahadła matematycznego i fizycznego. Kraków,

WYZNACZANIE MOMENTU BEZWŁADNOŚCI BRYŁY METODĄ DRGAŃ SKRĘTNYCH

DRGANIA SWOBODNE UKŁADU O DWÓCH STOPNIACH SWOBODY. Rys Model układu

Bryła sztywna. Fizyka I (B+C) Wykład XXIII: Przypomnienie: statyka

M2. WYZNACZANIE MOMENTU BEZWŁADNOŚCI WAHADŁA OBERBECKA

Ć W I C Z E N I E N R M-2

2. OPIS ZAGADNIENIA Na podstawie literatury podręczniki akademickie, poz. [2] zapoznać się z zagadnieniem i wyprowadzeniami wzorów.

PRACOWNIA FIZYCZNA DLA UCZNIÓW WAHADŁA SPRZĘŻONE

Doświadczalne sprawdzenie drugiej zasady dynamiki ruchu obrotowego za pomocą wahadła OBERBECKA.

Wyznaczanie prędkości lotu pocisku na podstawie badania ruchu wahadła balistycznego

Państwowa Wyższa Szkoła Zawodowa w Kaliszu

Zadanie domowe z drgań harmonicznych - rozwiązanie trzech wybranych zadań

Wyznaczanie momentów bezwładności brył sztywnych metodą zawieszenia trójnitkowego

WYZNACZANIE PRZYSPIESZENIA ZIEMSKIEGO ZA POMOCĄ WAHADŁA REWERSYJNEGO

Wyznaczanie przyspieszenia ziemskiego za pomocą wahadła rewersyjnego (Katera)

1. Wahadło fizyczne o regulowanej płaszczyźnie. drgań. kilkukrotnie sprawdzając z jaką niepewnością statystyczną możemy mieć do czynienia. pomiarze.

Opis ruchu obrotowego

Mechanika ogólna. Kinematyka. Równania ruchu punktu materialnego. Podstawowe pojęcia. Równanie ruchu po torze (równanie drogi)

Fizyka 11. Janusz Andrzejewski

RUCH OBROTOWY- MECHANIKA BRYŁY SZTYWNEJ

BADANIE DRGAŃ TŁUMIONYCH WAHADŁA FIZYCZNEGO

Doświadczalne badanie drugiej zasady dynamiki Newtona

Ćwiczenie nr 1: Wahadło fizyczne

Ćwiczenie nr 2: ZaleŜność okresu drgań wahadła od amplitudy

KONSPEKT ZAJĘĆ EDUKACYJNYCH

RUCH OBROTOWY- MECHANIKA BRYŁY SZTYWNEJ

MECHANIKA 2. Drgania punktu materialnego. Wykład Nr 8. Prowadzący: dr Krzysztof Polko

R o z d z i a ł 4 MECHANIKA CIAŁA SZTYWNEGO

Instrukcja do ćwiczenia jednopłaszczyznowe wyważanie wirników

MECHANIKA 2 KINEMATYKA. Wykład Nr 5 RUCH KULISTY I RUCH OGÓLNY BRYŁY. Prowadzący: dr Krzysztof Polko

Wyznaczanie przyspieszenia ziemskiego za pomocą wahadła prostego

Ć W I C Z E N I E N R E-15

Ćw. nr 41. Wyznaczanie ogniskowych soczewek za pomocą wzoru soczewkowego

Drgania i fale sprężyste. 1/24

1. Jeśli częstotliwość drgań ciała wynosi 10 Hz, to jego okres jest równy: 20 s, 10 s, 5 s, 0,1 s.

Wyznaczanie współczynnika sprężystości sprężyn i ich układów

E-doświadczenie wahadło matematyczne

12 RUCH OBROTOWY BRYŁY SZTYWNEJ I. a=εr. 2 t. Włodzimierz Wolczyński. Przyspieszenie kątowe. ε przyspieszenie kątowe [ ω prędkość kątowa

KOOF Szczecin:

MECHANIKA 2. Wykład Nr 3 KINEMATYKA. Temat RUCH PŁASKI BRYŁY MATERIALNEJ. Prowadzący: dr Krzysztof Polko

Wyznaczanie modułu sztywności metodą Gaussa

autor: Włodzimierz Wolczyński rozwiązywał (a)... ARKUSIK 13 RUCH OBROTOWY BRYŁY SZTYWNEJ. CZĘŚĆ 3

Pochodna i różniczka funkcji oraz jej zastosowanie do obliczania niepewności pomiarowych

Materiały pomocnicze 5 do zajęć wyrównawczych z Fizyki dla Inżynierii i Gospodarki Wodnej

Ćw. 32. Wyznaczanie stałej sprężystości sprężyny

Pochodna i różniczka funkcji oraz jej zastosowanie do rachunku błędów pomiarowych

Mechanika ogólna / Tadeusz Niezgodziński. - Wyd. 1, dodr. 5. Warszawa, Spis treści

Doświadczenie. Wyznaczanie przyspieszenia ziemskiego za pomocą wahadła matematycznego. I. CZĘŚĆ TEORETYCZNA

Podstawy niepewności pomiarowych Ćwiczenia

Wyznaczanie modułu Younga metodą strzałki ugięcia

VII.1 Pojęcia podstawowe.

Człowiek najlepsza inwestycja FENIKS

W NACZYNIU WIRUJĄCYM WOKÓŁ OSI PIONOWEJ

WSTĘP TEORETYCZNY Więcej na: dział laboratoria

2. Charakterystyki geometryczne przekroju

Drgania - zadanka. (b) wyznacz maksymalne położenie, prędkość i przyspieszenie ciała,

III Zasada Dynamiki Newtona. Wykład 5: Układy cząstek i bryła sztywna. Przykład. Jak odpowiesz na pytania?

Podstawy fizyki wykład 4

SCENARIUSZ ZAJĘĆ SZKOLNEGO KOŁA NAUKOWEGO Z PRZEDMIOTU FIZYKA PROWADZONEGO W RAMACH PROJEKTU AKADEMIA UCZNIOWSKA

Dynamika ruchu postępowego, ruchu punktu materialnego po okręgu i ruchu obrotowego bryły sztywnej

D103. Wahadła fizyczne sprzężone (przybliżenie małego kąta).

PRZYRZĄD DO BADANIA RUCHU JEDNOSTAJNEGO l JEDNOSTANIE ZMIENNEGO V 5-143

WYZNACZANIE MODUŁU SZTYWNOŚCI METODĄ DYNAMICZNĄ

Zadanie 18. Współczynnik sprężystości (4 pkt) Masz do dyspozycji statyw, sprężynę, linijkę oraz ciężarek o znanej masie z uchwytem.

MECHANIKA II. Dynamika ruchu obrotowego bryły sztywnej

Laboratorium Fizyki I Płd. Bogna Frejlak DRGANIA PROSTE HARMONICZNE: WAHADŁO REWERSYJNE I TORSYJNE

Rozwiązanie: Część teoretyczna

Drgania. O. Harmoniczny

MECHANIKA 2 Wykład 7 Dynamiczne równania ruchu

Równa Równ n a i n e i ru r ch u u ch u po tor t ze (równanie drogi) Prędkoś ędkoś w ru r ch u u ch pros pr t os ol t i ol n i io i wym

Kołowrót -11pkt. 1. Zadanie 22. Wahadło balistyczne (10 pkt)

RUCH HARMONICZNY. sin. (r.j.o) sin

Graficzne opracowanie wyników pomiarów 1

Rozwiązania zadań. Arkusz Maturalny z matematyki nr 1 POZIOM ROZSZERZONY. Aby istniały dwa różne pierwiastki równania kwadratowego wyróżnik

Miarą oddziaływania jest siła. (tzn. że siła informuje nas, czy oddziaływanie jest duże czy małe i w którą stronę się odbywa).

Zasady dynamiki Isaak Newton (1686 r.)

Ruch drgający i falowy

FIZYKA klasa 1 Liceum Ogólnokształcącego (4 letniego)

Ruch obrotowy bryły sztywnej. Bryła sztywna - ciało, w którym odległości między poszczególnymi punktami ciała są stałe

Podstawy fizyki wykład 4

ĆWICZENIE 13 TEORIA BŁĘDÓW POMIAROWYCH

Fizyka. Program Wykładu. Program Wykładu c.d. Literatura. Rok akademicki 2013/2014

Transkrypt:

Wyznaczenie przyspieszenia ziemskiego za pomocą wahadła rewersyjnego Obowiązkowa znajomość zagadnień Charakterystyka drgań gasnących i niegasnących, ruch harmoniczny. Wahadło fizyczne, długość zredukowana wahadła fizycznego. Moment bezwładności, twierdzenie Steinera. Budowa wahadła rewersyjnego, istota pomiaru przyspieszenia ziemskiego za pomocą wahadła rewersyjnego, zalety pomiaru w stosunku do pomiaru za pomocą wahadła fizycznego. Zadania do wykonania I. Poznanie podstaw teoretycznych zjawiska drgań, ze szczególnym uwzględnieniem ruchu harmonicznego. II. Poznanie budowy i działania wahadła rewersyjnego. III. Wykonanie pomiarów okresów drgań wahadła. IV. Zestawienie wyników i obliczenie wartości lokalnego przyspieszenia ziemskiego. Wiadomości wprowadzające Jednym z najczęściej występujących w przyrodzie zjawisk jest zjawisko drgań. Zasadniczą cechą drgań jest okresowość. Rozróżniamy dwa podstawowe rodzaje ruchu drgającego: a b Rys. 1. Amplituda drgań w funkcji czasu: a) drgania niegasnące, b) drgania gasnące 1

a) gdy w równych odstępach czasu powtarza się regularnie ten sam ciąg identycznych stanów układu (rys. 1a) drgania niegasnące. b) gdy okresowo powtarzają się podobne ciągi stanów układu, lecz wartość maksymalnego wychylenia z położenia równowagi maleje (rys. 1b) drgania gasnące. Wśród licznych rodzajów drgań niegasnących, najprostszym w opisie matematycznym (opisany funkcją sinusoidalną) jest ruch harmoniczny. Maksymalne wychylenie układu z położenia równowagi nazywamy amplitudą drgań, a najkrótszy czas po jakim wychylenie, prędkość i przyśpieszenie ruchu przyjmą tę samą wartość okresem drgań. W wahadle matematycznym poruszające się ciało jest punktem materialnym, zawieszonym na nieważkiej, nierozciągliwej nici o długości l. Na ciało to działa stała siła grawitacji. Gdy wahadło odchylone jest z położenia równowagi, składowa siły grawitacji wzdłuż nici P n jest równoważona przez nić, a składowa prostopadła do nici P s działająca w kierunku punktu równowagi nadaje ciału przyspieszenie. Ruch ciała ograniczony nicią jest ruchem po okręgu. Wahadło takie jest idealizacją wahadła fizycznego, którym nazywamy ciało sztywne wahające się wokół poziomej osi obrotu O pod wpływem siły ciężkości P (rys. 2). Oś obrotu nie może pokrywać się ze środkiem ciężkości wahadła S, bo wówczas drganie by nie występowało. Długość zredukowana L wahadła fizycznego jest równa takiej długości wahadła matematycznego, które posiada ten sam okres drgań, co dane wahadło fizyczne. Rys. 2. Wahadło fizyczne Ważną cechą wahadła fizycznego i matematycznego jest niezależność okresu drgań od maksymalnego wychylenia dla niewielkich wychyleń wahadła. Okres drgań wahadła fizycznego opisuje teoretycznie zależność: 2

gdzie: a odległość między osią zawieszenia i środkiem ciężkości, I moment bezwładności wahadła. (1) Moment bezwładności I jest miara bezwładności ciała w ruchu obrotowym względem wybranej osi obrotu. Im większy moment, tym trudniej zmienić ruch obrotowy ciała, np. rozkręcić dane ciało lub zmniejszyć jego prędkość kątową. Moment bezwładności odgrywa taką samą rolę w dynamice ruchu obrotowego jak masa w dynamice ruchu postępowego. Moment bezwładności zależy od osi obrotu ciała. Moment bezwładności ciała składającego się z n punktów materialnych jest sumą momentów bezwładności wszystkich tych punktów względem obranej osi obrotu: (2) Moment bezwładności ciała zależy od wyboru osi obrotu, od kształtu ciała i od rozmieszczenia masy w ciele. Zwykle mierzy się go w kg m². Dla ciał o ciągłym rozkładzie masy sumowanie we wzorze na moment bezwładności przechodzi w całkowanie. Niech ciało będzie podzielone na nieskończenie małe elementy o masach dm, oraz niech r oznacza odległość każdego takiego elementu od osi obrotu. W takim przypadku moment bezwładności określa wzór: gdzie całkowanie odbywa się po całej objętości V ciała. (3) Chcąc na bazie wzoru (1) wyznaczyć przyśpieszenie ziemskie g należy oprócz okresu drgań T i masy wahadła m (które można zmierzyć bezpośrednio) znać również wielkości odległości pomiędzy osiami a oraz moment bezwładności I, których pomiar jest bardzo kłopotliwy. Wahadło rewersyjne Aby uniknąć powyższych trudności, stosujemy wahadło fizyczne o dwóch osiach obrotu (O 1, O 2 ) umieszczonych po przeciwnych stronach środka ciężkości S (rys. 3). Jest to tzw. wahadło rewersyjne dla którego okresy drgań są takie same dla obu zawieszeń wahadła. Jeżeli punkt O 1 jest punktem zawieszenia, to okres wahań: 3

(4) gdzie: I 1 moment bezwładności wahadła względem osi O 1, a odległość między pierwszą osią zawieszenia a środkiem ciężkości. Analogicznie dla drugiej osi obrotu okres wahań: gdzie: I 2 moment bezwładności wahadła względem osi O 2, b odległość między drugą osią zawieszenia a środkiem ciężkości. (5) Twierdzenie Steinera mówi, że moment bezwładności I bryły względem dowolnej osi równy jest momentowi bezwładności tej bryły względem osi przechodzącej przez jej środek ciężkości (i równoległej do danej osi), powiększonemu o iloczyn masy tej bryły przez kwadrat odległości między osiami: gdzie: I S moment bezwładności wahadła względem osi przechodzącej przez środek ciężkości. (6) (7) Rys. 3. Wahadło fizyczne dwuosiowe Dla wahadła rewersyjnego okresy T 1 i T 2 są równe, a więc: 4

czyli: ( )( ) (9) (8) Przypadek, gdy b = a nic nie mówi o wzajemnym położeniu osi O 1, O 2 i może zajść, gdy mamy ciało zarazem sztywne i symetryczne. Natomiast z drugiej części równania (9)otrzymujemy zatem: Po uwzględnieniu powyższych zależności otrzymujemy: (10) (11) zatem: ( ) (12) (13) Wielkość l zr jest długością zredukowaną wahadła rewersyjnego i jak widać z równania jest równa l zr = a + b czyli odległości między osiami obrotu wahadła, którą można łatwo zmierzyć liniałem. Okres wahań wahadła zawieszonego na osi O 1 jest równy okresowi wahań tego wahadła zawieszonego w punkcie O 2 odległym od punktu O 1 o długość zredukowaną. Na tej podstawie zarysowała się idea prostego i dokładnego pomiaru przyspieszenia ziemskiego, bez wyznaczania I S, m oraz położenia środka ciężkości, tylko przez łatwy pomiar odległości między osiami obrotu oraz okresu T. Jak jednak praktycznie znaleźć osie mając bryłę o zadanym już kształcie, a więc o z góry ustalanym położeniu środka masy S oraz wartościach I i m? Praktycznie przesuwanie osi obrotu jest bardzo trudne. Znacznie łatwiej postąpić odwrotnie zamocować na stałe obie osie, zmieniać zaś położenie środka masy, a wraz z nim I S aż do spełnienia warunku T 1 = T 2.Tak też postępujemy w ćwiczeniu korzystając z modelu wahadła rewersyjnego (rys. 4). 5

Rys. 4. Laboratoryjny model wahadła fizycznego, rewersyjnego Na pręcie mającym na stałe zainstalowane dwie osie obrotu (O 1 i O 2 ) umieszczamy ciężarek. Przesuwając ciężarek wzdłuż pręta i mierząc okresy względem obu osi poszukujemy takiego położenia ciężarka, w którym T 1 = T 2, czyli miejsca w którym zależności okresu od położenia ciężarka dla obu osi przetną się (rys. 5). Należy zaznaczyć, że pomiary należy wykonywać przy małych amplitudach wychyleń wahadła (nie większych niż 5 10 ). Tylko wtedy spełnione będzie przybliżenie, że wahadło wykonuje drgania harmoniczne. X 0 Rys. 5. Zależność okresu wahań od położenia soczewki wahadła. 6

Wykonanie ćwiczenia i opracowanie wyników ĆWICZENIE 1 1. Jeden ciężarek znajduje się między osiami O 1 i O 2. Drugi ciężarek umieszczamy w położeniu najbliższym osi obrotu O 1. 2. Uruchamiamy wahadło i mierzymy czas 20 wahnięć wokół osi O 1, czyli 20T 1. Wyznaczamy okres drgań T 1. 3. Odwracamy wahadło, mierzymy czas 20 wahnięć wokół osi O 2, czyli 20T 2. Wyznaczamy okres drgań T 2. 4. Przesuwamy ciężarek znajdujący się poza osiami obrotu o 2 cm ponownie mierzymy czas 20 wahnięć wokół osi O 1 a następnie osi O 2. Postępujemy w ten sposób (mierząc za każdym razem odległość ruchomego ciężarka od osi O 1 i czas 20 okresów względem obu osi) do momentu, gdy ciężarek znajdzie się na końcu wahadła. Wyniki zapisujemy w formie tabelki: Odległość od osi obrotu [cm] 0 2 4 6 8 10 12 14 20T 1 [s] T 1 [s] 20T 2 [s] T 2 [s] 5. Wykorzystując dane z tabelki rysujemy, analogicznie do (rys. 5.), zależności okresów T 1 oraz T 2 od odległości ciężarka od osi O 1. Znajdujemy na nim punkt przecięcia krzywych x 0 (pomiary wykonujemy w pobliżu jednego z punktów przecięcia krzywych paraboli). Do sprawozdania załączamy wykres, wykonany na papierze milimetrowym na którym zaznaczamy punkt przecięcia krzywych, czyli szukany T 1 = T 2. 6. Mierzymy odległość l zr miedzy osiami (długość zredukowaną). 7. Znalezioną wartość T i l zr podstawiamy do przekształconego wzoru (13), z którego obliczamy wartość lokalną przyspieszenia ziemskiego oraz niepewność pomiarową tej wartości. Wyznaczenie niepewności pomiarowej przyśpieszenia ziemskiego. Przekształcamy wzór (13), aby wyznaczyć g (przekształcenie zamieszczamy w sprawozdaniu!!!!) czyli do postaci: (14) Następnie niepewność pomiarową g liczymy metoda pochodnej logarytmicznej. 7

Wzór (14) logarytmujemy obustronnie: ĆWICZENIE 1 Otrzymujemy: (15) Różniczkując równanie (15) i podstawiając zamiast różniczek odpowiednie wartości błędów bezwzględnych, otrzymujemy wyrażenie na maksymalny błąd względny: (16) Maksymalny błąd względny jest więc sumą błędów względnych wartości składowych. Mnożąc uzyskane wyrażenie (16) przez g, uzyskuje się wyrażenie na maksymalny błąd bezwzględny: ( ) (17) Gdzie Δl zr i ΔT są błędami z jakimi zostały wykonane pomiary. W tym przypadku należy przyjąć następujące wartości: Δl zr = 0,01m ΔT = 0,1s. 8. Wyznaczoną wielkość porównujemy z wartością tablicową (załącznik nr 1) i oceniamy czy z dokładnością do wyznaczonej niepewności pomiarowej zastosowano poprawną metodę pomiarową. 8

ZAŁĄCZNIK NR 1 ĆWICZENIE 1 Wartości przyśpieszenia ziemskiego w różnych miejscach na kuki ziemskiej, a szczególności w Polsce Miejsce Wartość przyśpieszenia ziemskiego [m/s 2 ] Na biegunie 9,8333 Na równiku 9,7803 Na poziomie morza, 45 O szer. geogr. (normalne) 9,8067 Kraków 9,8105 Wrocław 9,8113 Warszawa 9,8123 Poznań 9,8126 Gdańsk 9,8145 Uniwersytet Rolniczy Wydział leśny Katedra Mechanizacji Prac Leśnych Laboratorium Fizyki instrukcja do ćwiczeń Rok akademicki 2012/2013 9