V. Методика експерименту

Схема установки для дослідження лобового опору приведена на рис.9.1. На горизонтальній осі може обертатися стержень 1 з закріпленими на ньому пластинкою 2 і регулюючими циліндриками 3.

Рис.9. 1

За допомогою циліндриків 3 стержень врівноважується на осі. На тій же осі закріплено шків (диск) 4, на який намотана нитка, до вільного кінця якої підвішений важок 5. Падаючи, важок обертає шків і стержень з пластинкою. Крім диска 4, на осі закріплений також другий диск (на малюнку не показаний), радіус якого менший за радіус першого. Це дозволяє міняти швидкість обертання пластинки, користуючись лише одним важком.

Повертаючи стержень 1 навколо його повздовжньої осі, пластинка 2 може бути встановлена і закріплена так, що вектор лінійної швидкості її точок при русі пластинки під дією важка 5 буде нормальний або паралельний до площини пластини. В першому випадку лобовий опір буде великий, а в другому положенні він значно менший. Нехтуючи силами тертя у підшипниках, силами тертя важка і стержня об повітря, рівняння руху системи можна записати у вигляді:

,

(9.4)

де m – маса важка, J – момент інерції стержня з закріпленими на ньому циліндриками і пластинкою, F_н – сила натягу нитки, r – радіус диска 4, a – прискорення, з яким падає важок 5, g – прискорення сили тяжіння, – кутове прискорення,  – кутова швидкість, С – коефіцієнт моменту сили лобового опору пластинки.

З рівняння (9.4) для кутового прискорення одержуємо:

= ₀–B, (9.5)

де

, . (9.6)

З рівняння (9.5) слідує, що прискорення (як кутове, так і важка 5) залежить від швидкості. Якщо поверхня пластинки паралельна площині обертання, то припускаючи С=0 , із рівнянь (9.6) і (9.5) слідує, що обертання пластинки відбувається з постійним кутовим прискоренням

= ₀ = const. (9.7)

Знаючи віддаль h₀, яку проходить важок 5 за час t₀, можна вирахувати кутове прискорення

. (9.8)

У загальному випадку (тобто коли С0) кутова швидкість системи з часом збільшується, наближаючись до деякої найбільшої, постійної в часі величини _max. Величина цієї швидкості може бути одержана із умови, що при досягненні цієї швидкості кутове прискорення стане рівне нулю. Тоді з рівняння (6.5) маємо:

. (9.9)

Максимальна швидкість, з якою опускається важок 5, буде рівна

Рис. 9.2

(9.10)

Припустимо, що експериментально одержана залежність віддалі h, яку проходить важок, від часу t має вигляд, представлений на рис. 9.2. Тангенс кута нахилу h(t) лінійної ділянки кривої дає приблизне значення максимальної швидкості опускання важка

. (9.11)

Згідно графіка h₂–h₁ = h = h. Із рівняння (9.11 ) та (9.10) визначимо

. (9.12)

Коефіцієнт опору C тоді записується (див. 9.6)

. (9.13)

Використовуючи формулу (9.6) для ₀, формулу (9.13) перепишемо так:

. (9.14)

Формула (9.14) – кінцева робоча формула. Крім коефіцієнта моменту лобового опору С, в роботі обчислюється кутове прискорення ₀ для початкового руху пластини за формулою (9.8), максимальний момент сили лобового опору М_mах=С_mах та момент інерції J за формулою:

. (9.15)