WYZNACZANIE MOMENTU BEZWŁADNOSCI KRĄŻKA

Podobne dokumenty
Wyznaczanie współczynnika sztywności drutu metodą dynamiczną.

Ruch obrotowy. Wykład 6. Wrocław University of Technology

1. Ciało sztywne, na które nie działa moment siły pozostaje w spoczynku lub porusza się ruchem obrotowym jednostajnym.

11. DYNAMIKA RUCHU DRGAJĄCEGO

MECHANIKA OGÓLNA (II)

Fizyka 1 Wróbel Wojciech. w poprzednim odcinku

Pęd, d zasada zac zasad a zac owan owan a p a p du Zgod Zg n od ie n ie z d r d u r g u im g pr p a r wem e N ew e tona ton :

Zasady dynamiki ruchu obrotowego

II.6. Wahadło proste.

Fizyka 1 Wróbel Wojciech. w poprzednim odcinku

XXXVII OLIMPIADA FIZYCZNA ETAP III Zadanie doświadczalne

BRYŁA SZTYWNA. Umowy. Aby uprościć rozważania w tym dziale będziemy przyjmować następujące umowy:

9. 1. KOŁO. Odcinki w okręgu i kole

Wyznaczanie profilu prędkości płynu w rurociągu o przekroju kołowym

Ruch jednostajny po okręgu

Siła. Zasady dynamiki

Siła tarcia. Tarcie jest zawsze przeciwnie skierowane do kierunku ruchu (do prędkości). R. D. Knight, Physics for scientists and engineers

FIZYKA 2. Janusz Andrzejewski

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

θ = s r, gdzie s oznacza długość łuku okręgu o promieniu r odpowiadającą kątowi 2. Rys Obrót ciała wokół osi z

Fizyka. Wykład 2. Mateusz Suchanek

dr inż. Zbigniew Szklarski

Nierelatywistyczne równania ruchu = zasady dynamiki Newtona

CHARAKTERYSTYKI GEOMETRYCZNE FIGUR PŁASKICH

KOOF Szczecin: Komitet Główny Olimpiady Fizycznej. Andrzej Wysmołek Komitet Główny Olimpiady Fizycznej, IFD UW.

m q κ (11.1) q ω (11.2) ω =,

WYZNACZANIE MOMENTU BEZWŁADNOŚCI BRYŁY METODĄ DRGAŃ SKRĘTNYCH

GEOMETRIA PŁASZCZYZNY

ĆWICZENIE 6. POMIAR MOMENTU BEZWŁADNOŚCI. SPRAWDZENIE DRUGIEJ ZASADY DYNAMIKI DLA RUCHU OBROTOWEGO. BADANIE ADDYTYWNOŚCI MOMENTU BEZWłADNOŚCI

SKRYPT DO ZAJĘĆ WYRÓWNAWCZYCH Z FIZYKI DLA STUDENTÓW I ROKU AKADEMII MORSKIEJ W SZCZECINIE

Grzegorz Kornaś. Powtórka z fizyki

GRAWITACJA. przyciągają się wzajemnie siłą proporcjonalną do iloczynu ich mas i odwrotnie proporcjonalną do kwadratu ich odległości r.

ZASADA ZACHOWANIA MOMENTU PĘDU: PODSTAWY DYNAMIKI BRYŁY SZTYWNEJ

Podstawy Procesów i Konstrukcji Inżynierskich. Ruch obrotowy INZYNIERIAMATERIALOWAPL. Kierunek Wyróżniony przez PKA

BRYŁA SZTYWNA. Zestaw foliogramów. Opracowała Lucja Duda II Liceum Ogólnokształcące w Pabianicach

POLE MAGNETYCZNE W PRÓŻNI. W roku 1820 Oersted zaobserwował oddziaływanie przewodnika, w którym płynął

WYDZIAŁ FIZYKI, MATEMATYKI I INFORMATYKI POLITECHNIKI KRAKOWSKIEJ Instytut Fizyki LABORATORIUM PODSTAW ELEKTROTECHNIKI, ELEKTRONIKI I MIERNICTWA

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

Wyznaczanie momentów bezwładności brył sztywnych metodą zawieszenia trójnitkowego

Siły oporu prędkość graniczna w spadku swobodnym

Energia kinetyczna i praca. Energia potencjalna

20 ELEKTROSTATYKA. PRAWO COULOMBA.

Sprawdzanie twierdzenia Steinera

M2. WYZNACZANIE MOMENTU BEZWŁADNOŚCI WAHADŁA OBERBECKA

Fizyka 1 Wróbel Wojciech. w poprzednim odcinku

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

Wykład Półprzewodniki

KINEMATYCZNE WŁASNOW PRZEKŁADNI

dr inż. Zbigniew Szklarski

Energia potencjalna jest energią zgromadzoną w układzie. Energia potencjalna może być zmieniona w inną formę energii (na przykład energię kinetyczną)

Fizyka 1- Mechanika. Wykład 10 7.XII Zygmunt Szefliński Środowiskowe Laboratorium Ciężkich Jonów

Fizyka 10. Janusz Andrzejewski

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

PF11- Dynamika bryły sztywnej.

KURS GEOMETRIA ANALITYCZNA

A. POMIARY FOTOMETRYCZNE Z WYKORZYSTANIEM FOTOOGNIWA SELENOWEGO

PRĄD ELEKTRYCZNY I SIŁA MAGNETYCZNA

Wykład: praca siły, pojęcie energii potencjalnej. Zasada zachowania energii.

dr inż. Zbigniew Szklarski

Prawo powszechnego ciążenia Newtona

Podstawy fizyki sezon 1 V. Ruch obrotowy 1 (!)

Pole grawitacyjne. Definicje. Rodzaje pól. Rodzaje pól... Notatki. Notatki. Notatki. Notatki. dr inż. Ireneusz Owczarek.

Podstawy fizyki wykład 4

PRACA MOC ENERGIA. Z uwagi na to, że praca jest iloczynem skalarnym jej wartość zależy również od kąta pomiędzy siłą F a przemieszczeniem r

Fizyka 2. Janusz Andrzejewski

E4. BADANIE POLA ELEKTRYCZNEGO W POBLIŻU NAŁADOWANYCH PRZEWODNIKÓW

RUCH OBROTOWY- MECHANIKA BRYŁY SZTYWNEJ

8. PŁASKIE ZAGADNIENIA TEORII SPRĘŻYSTOŚCI

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

WPROWADZENIE. Czym jest fizyka?

Pole magnetyczne. 5.1 Oddziaływanie pola magnetycznego na ładunki. przewodniki z prądem Podstawowe zjawiska magnetyczne

= ± Ne N - liczba całkowita.

Oddziaływania fundamentalne

L(x, 0, y, 0) = x 2 + y 2 (3)

Mechanika ruchu obrotowego

cz. 1. dr inż. Zbigniew Szklarski

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

Wykład 5: Dynamika. dr inż. Zbigniew Szklarski

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

15. STANOWISKOWE BADANIE MECHANIZMÓW HAMULCOWYCH Cel ćwiczenia Wprowadzenie

RUCH OBROTOWY- MECHANIKA BRYŁY SZTYWNEJ

10. Ruch płaski ciała sztywnego

Pierwsze dwa podpunkty tego zadania dotyczyły równowagi sił, dla naszych rozważań na temat dynamiki ruchu obrotowego interesujące będzie zadanie 3.3.

cz.2 dr inż. Zbigniew Szklarski

ĆWICZENIE 3 REZONANS W OBWODACH ELEKTRYCZNYCH

XXI OLIMPIADA FIZYCZNA ( ). Stopień III, zadanie teoretyczne T1. Źródło: XXI i XXII OLIMPIADA FIZYCZNA, WSiP, Warszawa 1975 Andrzej Szymacha,

Badanie siły elektromotorycznej Faraday a

00502 Podstawy kinematyki D Część 2 Iloczyn wektorowy i skalarny. Wektorowy opis ruchu. Względność ruchu. Prędkość w ruchu prostoliniowym.

Wykład 15. Reinhard Kulessa 1

Modele odpowiedzi do arkusza Próbnej Matury z OPERONEM. Matematyka Poziom rozszerzony

Atom (cząsteczka niepolarna) w polu elektrycznym

Fizyka 1 Wróbel Wojciech. w poprzednim odcinku

Ćwiczenie 9 ZASTOSOWANIE ŻYROSKOPÓW W NAWIGACJI

Wykład FIZYKA I. 8. Grawitacja. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

Składowe przedmiotu MECHANIKA I MECHATRONIKA. mechanika techniczna podstawy konstrukcji maszyn mechatronika

Podstawy fizyki wykład 4

Fizyka 11. Janusz Andrzejewski

MOBILNE ROBOTY KOŁOWE WYKŁAD 04 DYNAMIKA Maggie dr inż. Tomasz Buratowski. Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki Katedra Robotyki i Mechatroniki

Moment pędu w geometrii Schwarzshilda

Wykład 10. Reinhard Kulessa 1

Transkrypt:

Ćwiczenie -7 WYZNACZANE OENTU BEZWŁADNOSC KRĄŻKA. Cel ćwiczenia: zapoznanie się z teoią momentu bezwładności. Wyznaczenie momentu bezwładności były względem osi obotu z siłą tacia i bez tej siły, wyznaczenie momentu sił tacia. : Pzyządy: kążek metalowy stanowiący badaną byłę sztywną, dwa ciężaki w kształcie walca (mały i duży), miaka centymetowa umieszczona na statywie, waga laboatoyjna, suwmiaka, stope.. Liteatua:. J. L. Kacpeski, Pacownia fizyczna.. A. Piekaa ecanika ogólna oz.v Dynamika były sztywnej. 3. nstukcja pacowniana 4, Wyznaczanie momentu bezwładności były metodą dgań skętnyc. V. Wpowadzenie Byłą sztywną nazywamy ciało, w któym odległość między dwoma dowolnie wybanymi punktami jest stała i nie zmienia się pod wpływem pzyłożonyc do niego sił zewnętznyc, jeśli tylko nie są one zbyt wielkie. Była sztywna jest szczególnym układem punktów mateialnyc, w któym odległości między punktami są stałe. omentem bezwładności były względem jakiejś dowolnej osi O nazywamy sumę iloczynów mas m małyc elementów objętości były pzez kwadaty ic odległości od tej osi: = m () i i i Gdy element masy m jest nieskończenie mały, czyli m dm, to wówczas moment bezwładności jest ówny = dm (a) m Wykozystując wzó (a) możemy obliczać momenty bezwładności był o postym, egulanym kształcie geometycznym, obacającyc się względem osi wyóżnionej pzez symetię były. Wielkość momentu bezwładności danej były jest zależna od tego, wokół jakiej osi następuje jej obót. oment bezwładności były złożonej z kilku elementów jest ówny sumie momentów bezwładności tyc elementów były względem tej samej osi, co wynika z definicji momentu bezwładności (np. moment bezwładności antli, któa składa się z dwóc kul o ównyc masac połączonyc pętem względem osi pzecodzącej pzez śodek pęta wynosi c = k + p, gdzie k, p są odpowiednio momentem bezwładności kuli i momentem bezwładności łączącego je pęta względem tej osi). oment bezwładności względem dowolnej osi wyznacza się często kozystając z twiedzenia Steinea, któe bzmi: oment bezwładności były względem dowolnej osi O jest ówny sumie momentu bezwładności o względem osi O pzecodzącej pzez śodek masy były i ównoległej do osi O oaz iloczynu masy m były i kwadatu odległości a między osiami:

Ćwiczenie -7 = o + m a () a Rys. Była o masie m posiadająca oś O pzecodzącą pzez śodek masy i dowolna oś O. O O W pzypadku nietypowego kształtu były obliczenie momentu bezwładności związane jest z kłopotliwymi obliczeniami. W takic pzypadkac moment bezwładności wyznacza się doświadczalnie wykozystując własności dgań skętnyc. W dynamice ucu obotowego posługujemy się pojęciem momentu siły. omentem siły F względem punktu O nazywamy iloczyn wektoowy pomienia wodzącego oaz siły F. Pomień ma początek w punkcie O a koniec w punkcie pzyłożenia siły: = F (3) Jego kieunek jest postopadły do płaszczyzny wyznaczonej pzez wekto F i pomień wodzący a watość jest ówna: = F sinα, gdzie α jest kątem między wektoami i F. oment siły względem osi obotu (w pzypadku ucu obotowego) jest ówny iloczynowi wektoowemu pomienia wodzącego epezentującego odległość punktu pzyłożenia siły od osi obotu i siły pzyłożonej. V. Pomia momentu siły tacia Byłą badaną w doświadczeniu jest kążek metalowy, któego kontuy scematycznie pokazuje ys.3. Na kążek może nawijać (odwijać) się sznuek z zawieszoną na końcu masą m. Pzypuśćmy, że opadanie masy m ozpoczęło się na wysokości (wysokość miezona jest względem wybanego poziomu o, któym może być położenie masy m w pzypadku całkowitego odwinięcia nici). Całkowita początkowa enegia układu w momencie ozpoczęcia ucu jest ówna enegii potencjalnej: E pocz. = mg (4) gdzie = o Podczas opadania badanej masy enegia potencjalna maleje, a ośnie enegia kinetyczna układu złożonego z ciężaka i kążka. Po odwinięciu nici enegia potencjalna osiąga watość 0, a enegia kinetyczna, związana z ucem postępowym opadającej masy i ucem obotowym kążka ma watość maksymalną: mv ω Ekońc = + (5) mv ω gdzie = E m jest enegią kinetyczną ucu postępowego masy m a = Ek enegią kinetyczną ucu obotowego kążka. O F Rys. oment siły ilustacja iloczynu wektoowego α = F.

Ćwiczenie -7 oś o Rys.3 Scemat układu do pomiau momentu bezwładności były z uwzględnieniem tacia ϕ Enegie E pocz i E konc (początkowa i końcowa) byłyby sobie ówne, gdyby nie tacie, powodujące zużycie części enegii mecanicznej na ogzanie kążka, nici, powietza itp. Pzy dalszej analizie zaniedbamy opó powietza, tacie nici o kążek, a także ogzewanie nici pzy ozciąganiu, uważając ją za nieważką i nieozciągliwą i oganiczymy się do ozpatzenia tacia kążka o oś. Kolejnym uposzczeniem będzie pzyjęcie założenia, że moment sił tacia nie zależy od pędkości. Z zasady zacowania enegii i pacy wynika wówczas ównanie: mv ω mg= + + ϕ (6) gdzie ϕ jest pacą wykonaną pzez kążek pzeciwko siłom tacia, ϕ oznacza całkowity kąt, o jaki obócił się kążek podczas pzebywania pzez masę m dogi. Oczywiście ϕ = πn, gdzie n oznacza liczbę obotów kążka. Podobnie oczywisty jest związek: = πn = (7) Po osiągnięciu pzez masę m najniższego poziomu, ole ulegają niejako odwóceniu i teaz kążek wykonuje pacę, pokonując tacie i podnosząc masę m aż do wysokości <. Ułóżmy znowu bilans enegii, pamiętając o tym, że dotycczasowy stan końcowy stał się teaz stanem początkowym. Enegia masy m nie ulega zmianie (zmienił się tylko zwot pędkości): mv ω + = mg+ ϕ (8) Pomiędzy wysokością i całkowitym kątem obotu ϕ istnieje związek analogiczny do (7): = ϕ (9) Wykozystanie ównań (6) (9) pozwala na wyznaczenie momentu sił tacia: = mg (0) + V. Pomia momentu bezwładności kążka V. Pomia momentu bezwładności kążka z uwzględnieniem siły tacia W celu wyznaczenia momentu bezwładności były ozpatzmy ównanie ucu masy m (ys. 4): m a = P N = mg N () gdzie a jest pzyspieszeniem masy m, ównym pzyspieszeniu liniowemu punktu styczności nici i walca, N jest siłą z jaką nić działa na pouszającą się masę. asa m napina nić siłą N (napężenie nici) i mamy N = N (z zasady Newtona). Napężenie nici wynosi więc: N= mg ma= m(g a) (a) Pzyspieszenie liniowe a związane jest z pzyspieszeniem kątowym ε znaną zależnością: a =ε () 3

Ćwiczenie -7 W punkcie styczności walca z nicią pzyłożona jest siła N, któej moment jest ówny N. Pamiętając, że opócz tego momentu, działa jeszcze moment sił tacia, możemy zapisać ównanie ucu kążka w postaci: a T N N P= mg Z tego ównania można znaleźć moment bezwładności: ε = N (3) [ m(g a) ] N = = (4) ε a Pzyspieszenie liniowe a znajdujemy mieząc czas, w któym masa m pzebywa ucem jednostajne pzyspieszonym dogę : at = a= t (5) Z ównań (0), (4) i (5) znajdujemy końcowe wyażenie na moment bezwładności: Rys.4 Siły występujące podczas ucu układu kążek masa. gt = m + (6) V. Pomia momentu bezwładności kążka metodą oscylacji Zaniedbanie sił tacia pozwala na obliczenie momentu bezwładności altenatywną metodą, obciążoną jednak błędem systematycznym. Tym azem masa m umieszczona jest na obwodzie badanego kążka (ys.5 ). Powoduje to pojawienie się położenia ównowagi twałej. Wycylenie kążka o mały kąt ϕ z położenia ównowagi zapoczątkuje dgania opisywane ównaniem: oś kążka D R d ϕ ( + ) = mgr sinϕ mgrϕ (7) dt m b Rys.5 Scemat układu do pomiau momentu bezwładności były z pominięciem tacia Jeżeli ównanie (7) zapiszemy w ównoważnej postaci: oznacza tutaj moment bezwładności dodatkowej masy m, miezony względem osi obotu kążka, R jest odległością osi obotu kążka od osi zamocowania dodatkowej masy m. Wykozystując zasadę Steinea można obliczyć moment bezwładności (dodatkowa masa ma fomę walca o pomieniu ): m = + mr = m + R (8) d ϕ mgr + ϕ= 0 dt + (9) 4

Ćwiczenie -7 to można w nim łatwo ozpoznać ównanie ucu amonicznego o częstości kołowej: π mgr ω = = (0) T + Wykozystując wzó (8), znajdujemy moment bezwładności kążka: V. Pomiay a) Piewsza część ćwiczenia. mgrt grt = = m R () 4π 4π. Wyznaczyć masę odważnika m (mniejszy walec).. Wyznaczyć pomień walca, na któy nawija się nić, mieząc jego śednicę d. 3. Okeślić poziom o i poziom. Ustalić odległość = o (maksymalny pzyost długości odwiniętej nici miezony od momentu ozpoczęcia opadania masy m). 4. Zmiezyć kilkakotnie odległość ( = o ) i wyznaczyć watość śednią. 5. Zmiezyć kilkakotnie czas t opadania masy m z wysokości i wyznaczyć watość śednią t. Wyniki zebać w tabeli : Tabela masa m [kg] śednica walca d pomień walca = d/ odległość = o [cm] czas opadania t [s] odległość = o [cm] b) Duga część ćwiczenia.. Wyznaczyć masę odważnika m (większy walec).. Zmiezyć śednicę d dodatkowego większego walca i obliczyć jego pomień. 3. Wyznaczyć odległość R (odległość osi obotu kążka od osi zamocowania dodatkowej masy m). W tym celu zmiezyć śednicę kążka D (dużą suwmiaką) i odległość b odległość osi zamocowania dodatkowej masy m od zewnętznej kawędzi kążka (ys. 5). Odległość R znajdujemy jako: R = D b 4. Zmiezyć czas t 0 wanięć kążka i znaleźć okes T. Wyniki zebać w tabeli : masa m większego walca [kg] śednica walca d pomień walca = d / śednica kążka D odległość b odległość R = D/ b Tabela czas t 0 wanięć [s] okes T t/0 [s] 5

Ćwiczenie -7 V. Opacowanie i acunek błędów. Obliczyć w opaciu o wzó (0) moment siły tacia.. Kozystając z metody óżniczki zupełnej można wyznaczyć niepewność momentu ze wzou: m = + + + m 3. Obliczyć ze wzou (4) moment bezwładności kążka. 4. Zastosowanie metody óżniczki zupełnej do wyznaczenia niepewności pomiaowej w tym pzypadku jest zbyt czasocłonne (wzó jest dość złożony). ożna oszacować maksymalną niepewność wyznaczonego momentu bezwładności ze wzou: max min = gdzie max min ( t+ t) ( ) g ( ) = m + ( t t) ( + ) g ( ) + = m + Największy wpływ na niepewność wyznaczenia mają niepewności pomiaowe t i ( = = ). Pominięto wpływ niepewności m i. 5. Obliczyć moment bezwładności kążka ze wzou () (metoda oscylacji). W tym pzypadku, w związku z pominięciem tacia, oczekujemy systematycznego zawyżenia wyniku. 6. Oszacować maksymalną niepewność wyznaczonego metodą oscylacji momentu bezwładności podobnie jak w punkcie 4: max min = gdzie g(r+ R)(T+ T) max = m (R+ R) 4π g(r R)(T T) max = m (R R) 4π Największy wpływ na niepewność wyznaczenia mają niepewności pomiaowe t i R, a niewielki niepewności m i i dlatego pominięto je pzy szacowaniu watości max i min. 6