Фгоу впо «калининградский государственный технический университет»
КАФЕДРА ФИЗИКИ
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6А
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ НА УСТАНОВКЕ
«МАШИНА ОБЕРБЕКА»
Методическое указание к выполнению лабораторной работы по курсу общей физики для студентов инженерно-технических специальностей
Калининград
2008
ЦЕЛЬ РАБОТЫ
ознакомление с законом сохранения энергии и условиями его применения;
измерение работы сил трения, сопротивления и коэффициента полезного действия
1. ВВЕДЕНИЕ
В механике машиной вообще называется любое устройство, где заранее запасённая энергия преобразуется в кинетическую энергию механического движения, используемого для практических целей.
Например, энергия содержится в топливе (дрова, уголь, нефтепродукты и т.д.), и все виды самоходного транспорта с применением топлива являются машинами.
В ряде установок используется энергия гравитационного поля Земли, которую приобретают в виде потенциальной энергии тела, поднятые на некоторую высоту.
В XVIII-XIX в.в. были изготовлены специальные установки с целью изучения и демонстрации явления преобразования такой потенциальной энергии в кинетическую энергию механического движения. Некоторые из них вошли в состав лабораторных практикумов по механике со специфическими названиями: "машина Атвуда", "установка Максвелла" и т.п.
В данной работе исследование проводится на машине Обербека. На рис.1 показана принципиальная схема этой установки без дополнительного блока, имеющегося в конструкции.
4
1- груз на нити
2-
шкив
3-
стержни с
5
грузами
3
4- втулка
5- ось
2
1
Рис.1.
Основной частью машины Обербека являются взаимно-перпендикулярные стержни, закреплённые на втулке, насаженной на ось. На стержни устанавливают симметрично дополнительные грузы. К втулке прикреплён шкив, на обод которого наматывается нить с подвешенным грузом.
При опускании груза на шкиве действует момент силы натяжения нити, приводящий во вращение стержневую часть установки. Начало намотанной нити закреплено на шкиве. После опускания груза на полную длину нити стержневая часть продолжает вращаться по закону инерции. При этом нить автоматически перебрасывается на противоположную сторону шкива и начинает на него наматываться, поднимая груз.
На некоторой высоте груз останавливается (вместе со стержнями) и затем начинается его движение вниз. Этот процесс повторяется при уменьшающейся высоте последующих подъёмов груза из-за действия сил трения и сопротивления.
На рис.2 показаны схемы сил на нити с учётом дополнительного блока и расположение нити после её переброски на шкиве.
Примечание. В некоторых учебных пособиях машину Обербека называют "крест Обербека". Иногда эту установку называют "маятником Обербека". Однако настоящий маятник - это устройство, где происходят колебания. Периодическое опускание и подъём груза в машине Обербека не являются колебаниями, если грузы на стержнях сбалансированы. Машину Обербека можно преобразовать в физический маятник при несимметричном расположении грузов на стержнях.
В учебном процессе используются две установки, различающиеся параметрами некоторых своих элементов (подробно см. на установках).
Теоретический расчёт и анализ опытных данных для машины Обербека можно выполнять разными способами. Например, можно записать систему уравнений динамики для поступательного движения груза на нити и вращательного движения стержневой части установки. С помощью ряда измерений затем можно было бы найти момент сил трения и сопротивления и другие характеристики установки, в том числе - работу сил трения и сопротивления, определяющую качество преобразования потенциальной энергии в кинетическую энергию.
В данной работе будет рассмотрен энергетический расчёт машины Обербека и выполнены соответствующие измерения.