3. Вопросы для проверки (примерные):

3.1. Объяснить цель и методику проведения эксперимента. Какие результаты получены способами прямых и косвенных измерений?

3.2. Понятие о твёрдом теле и типах движения твёрдых тел.

3.3. Понятие о линейных и угловых скоростях и ускорениях, массе и моменте инерции, силе и моменте силы.

3.4. Основной закон динамики для материальной точки (для центра масс тела) и основной закон динамики вращательного движения тела.

3.5. Понятие об энергии и о работе силы. Механическая энергия и закон сохранения механической энергии. Понятие о потерях механической энергии и КПД.

3.6. Выполняется ли закон сохранения механической энергии в установке «Грузовой блок с тормозной планкой»?

3.7. Каким способом в задании №1 можно найти приближённое значение момента сил трения , используя данные энергетического баланса? Как эта задача более точно решается в задании №2?

3.8. Как вычислить коэффициент трения между тормозной планкой и ободом блока?

Приложение 1 Понятие о физической и механической модели твёрдого тела

1. Существует общее представление о твёрдом теле как о вещественном объекте, сохраняющем свою массу и стабильную форму в некотором диапазоне внешних условий.

Одно из главных свойств твёрдых тел так и называется – твёрдость. Твёрдость характеризует сопротивление вдавливанию на поверхности тела и определяется отношением силы к глубине вдавливания стального шарика (или алмазной призмы) под действием этой силы.

Твёрдые тела могут существенно различаться происхождением, химическим составом, внутренним строением и физическими свойствами, диапазоном внешних условий существования.

Например, камни – это минералы, образовавшиеся в ходе геологической истории Земли, кости и дерево – имеют органическое происхождение в процессе роста биологических объектов. Кирпич, тела из бетона и пластмассы, металлические сплавы (латунь, сталь и пр.) – получены с применением специальных технологий.

Различие в химическом составе объясняет, почему, например, одни тела при нагревании в атмосфере воспламеняются, а другие - плавятся.

2. В физике имеется общее понятие о твёрдой фазе вещества как конденсированной системе частиц высокой концентрации. Особенность твёрдой фазы вещества в том, что частицы (молекулы, атомы, ионы) находятся в общем силовом поле и упорядоченно расположены в пространстве. Вместе с тем частицы внутри тела непрерывно движутся, участвуя в колебаниях относительно положений равновесия и, кроме того, могут многократно за секунду «перескакивать» из одного равновесного положения в другое (как бы обмениваться местами упорядоченного расположения).

Физические модели твёрдого состояния появились в XX веке и продолжают развиваться и совершенствоваться с целью более полного описания всей совокупности электрических, магнитных, оптических, тепловых, прочностных и пр. свойств твёрдых тел.

Твёрдые тела в физике рассматриваются как части твёрдой фазы вещества и, в зависимости от степени упорядоченности расположения частиц, подразделяются на кристаллические и аморфные.

3. В классической механике применяется упрощённая модель твёрдого состояния, позволяющая с достаточной полнотой исследовать кинематику и динамику механического движения твёрдых тел, включая переносы и повороты тел в пространстве.

В механической модели твёрдое тело рассматривается как система материальных точек, взаимное положение которых сохраняется неизменным.

Примечание. Приведём полное определение: «Твёрдым телом в механике называется модель сохраняющего свою форму и массу вещественного объекта, размерами которого нельзя пренебречь в данных условиях исследования; модель представляет собой континуальную систему материальных точек, взаимное положение которых остается неизменным».

Необходимо пояснить, что постулируемые в механике материальные точки твёрдого тела нельзя отождествлять с частицами (атомами, молекулами и т. п.) вещества.

Например, в металлах концентрация «тяжёлых» частиц – атомов – равна N 10²² см^-3. При диаметре атома d  2∙10^-8 см оказывается, что частицы, обладающие массой, занимают менее 1/10 объёма тела. Однако непрерывное движение (на частоте 10¹³ Гц) как бы «размазывает» частицы по объёму тела, хотя общее силовое поле внутри тела «запрещает» частицам «убегать» из объёма и этим обеспечивается сохранение массы и формы тела.

В механической модели материальными точками твёрдого тела являются центры масс элементарных объемов dτ, непрерывно примыкающих друг к другу. Массы таких объёмов dm равны усреднённой сумме масс движущихся в них частиц. Отношение элементарной массы к элементарному объёму называют плотностью вещества . Если известна плотность, то масса каждого элементарного объёма (материальной точки) тела определяется формулой: .

Этот подход, а именно раздробление полного объёма тела на множество элементарных, позволяет применить математическую операцию интегрирования для расчётов объёма, массы, момента инерции, момента импульса, координат центра масс и ряда других характеристик твёрдых тел, сведения о которых необходимы при решении любой практической задачи классической механики.