- •Часть I.
- •Исследование косого удара о наклонную плоскость
- •Теоретическая часть
- •Закон сохранения полной механической энергии
- •Неупругое соударение тел
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Упругий удар шаров
- •Теоретическое описание.
- •Порядок выполнения работы
- •Изучение скорости пули с помощью баллистического маятника
- •Теоретическое описание
- •Закон сохранения полной механической энергии
- •Закон сохранения импульса
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Измерение скорости пули с помощью физического маятника
- •Теоретическое описание.
- •Правило правого винта.
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Изучение скорости пули с помощью вращающейся платформы.
- •Теоретическое описание
- •Закон сохранения полной механической энергии
- •Закон сохранения момента импульса
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Изучение вращательного движения
- •Т Рис.1 еоретическое описание
- •П орядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Определение моментов инерции методом колебаний
- •Т Рис.1 еоретическое описание
- •1. Определение Jc – момента инерции стержня относительно оси симметрии.
- •2 Рис.3 . Определение ja момента инерции стержня относительно оси, перпендикулярной ему и проходящей через конец.
- •Момент инерции
- •Терема Штейнера
- •Порядок выполнения
- •Контрольные вопросы
- •Определение радиуса кривизны вогнутой поверхности методом катающегося шарика
- •Теоретическое описание
- •Закон сохранения полной механической энергии
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Определение момента инерции тел методом крутильных колебаний
- •Описание лабораторной установки.
- •Порядок выполнения работы
- •Краткие теоретические сведения
- •1. Момент инерции плоской прямоугольной пластины относительно оси, проходящей через центр масс перпендикулярно ее плоскости.
- •2. Момент инерции плоской треугольной пластины относительно оси, проходящей через центр масс перпендикулярно ее плоскости.
- •Контрольные вопросы
- •Определение коэффициента трения качения
- •Т Рис.1 еоретическое описание
- •Закон сохранения полной механической энергии.
- •Закон изменения механической энергии.
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Определение силы трения скольжения
- •Теоретическое описание
- •Закон сохранения полной механической энергии
- •Закон изменения механической энергии.
- •Закон сохранения импульса
- •Закон изменения импульса.
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •1.Савельев и.В. Курс общей физики. Т.1. М:Наука, 1986.- гл.II, §15, 20-22, 24, 27
- •Определение ускорения свободного падения с помощью физического маятника
- •Теоретическое описание
- •Терема Штейнера
- •П орядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Изучение колебаний пружинного маятника
- •Порядок выполнения работы
- •Описание установки
- •Теоретическое описание Гармонические колебания.
- •Затухающие колебания.
- •Контрольные вопросы
- •Определение показателя адиабаты методом Клемана и Дезорма
- •Теоретическое введение
- •Порядок выполнения работы
- •Контрольные вопросы
- •Литература
- •Определение коэффициента поверхностного натяжения воды методом отрыва кольца
- •Описание установки.
- •Порядок выполнения работы.
- •Теоретическое описание.
- •Контрольные вопросы.
- •Определение коэффициента вязкости жидкости по методу Cтокса
- •Выполнение работы.
- •Теоретическое описание.
- •Контрольные вопросы.
- •Литература.
- •Определение длины свободного пробега и эффективного диаметра молекул воздуха
- •Выполнение работы.
- •Теоретическое описание.
- •Контрольные вопросы.
- •Литература.
2. Момент инерции плоской треугольной пластины относительно оси, проходящей через центр масс перпендикулярно ее плоскости.
Р азобьем пластину на тонкие стержни массой dm длиной 2x и высотой dy, как показано на рисунке. Так как для стержня длины момент инерции относительно перпендикулярной оси, проходящей через центр масс равен , то момент инерции такого стержня относительно оси, проходящей через точку О перпендикулярно плоскости чертежа, по теореме Штейнера , равен:
,
где массу стержня можно выразить из пропорции
,
где – площадь стержня, а – площадь равностороннего треугольника.
Тогда масса стержня: , а его момент инерции:
С учетом того, что для равностороннего треугольника , получим:
Т огда . Но по теореме Штейнера , тогда, учитывая, что , получим выражение для :
Контрольные вопросы
1. В чем заключается физический смысл момента инерции?
2. От чего зависит момент инерции?
3. Сформулируйте теорему Штейнера.
4. С помощью теоремы Штейнера объясните, относительно какой оси момент инерции тела минимален (максимален)?
5. Получите расчетную формулу для момента инерции плоской прямоугольной пластины относительно оси, проходящей через центр масс, и лежащей в плоскости пластины.
6. Получите расчетную формулу для момента инерции пластины в форме равностороннего треугольника относительно оси, лежащей в плоскости пластины и проходящей через одну из его сторон.
7. Как нужно проводить эксперимент в данной работе, чтобы расчетные формулы, которыми вы пользовались, были справедливы
Лабораторная работа №7
Определение коэффициента трения качения
Цель работы: определить коэффициент трения качения цилиндра по плоскости для различных пар металлических поверхностей и определить момент инерции сложной системы методом колебаний
Т Рис.1 еоретическое описание
Рассмотрим цилиндр, покоящийся на горизонтальной плоскости (рис.1,а). На него действуют две взаимно уравновешивающие силы: сила тяжести , где m – масса цилиндра, и нормальная реакция плоскости . Если цилиндр (колесо) катится по плоскости, то появляется трение качения. Можно выделить следующие причины его возникновения. И цилиндр и плоскость при качении деформируются. При этом происходят потери механической энергии, связанные: а) с работой, затрачиваемой на образование валика А деформированной плоскости перед катящимся цилиндром (рис.1,б); б) со сжатием плоскости перед катящимся; в) с преодолением мостиков сцепления – тех областей на поверхности соприкосновения цилиндра и плоскости, где из-за неровности поверхностей существуют настолько большие давления, что между молекулами цилиндра и плоскости возникают силы межмолекулярного притяжения и они в этих местах "сцепляются" друг с другом.
Эти три причины приводят к тому, что точка приложения нормальной реакции смещается на расстояние , в результате возникает момент силы реакции, направленный по оси вращения, которая проходит перпендикулярно плоскости рисунка 1, и препятствующий качению цилиндра. Модуль этого момента
(1)
П
Рис.2
Рис.3
Так как оси цилиндров А и В не совпадают, то центр масс системы С находится на линии АВ на расстоянии от оси цилиндра А (рис.3). Момент силы тяжести стремится вернуть систему в положение равновесия и при малых углах поворота ( ) пропорционален смещению из положения равновесия . Это является условием гармонических колебаний, которые будет совершать система относительно положения равновесия = 0 (стрелка Д отклоняется то в одну сторону, то в другую сторону от положения О на шкале Н).
Из-за действия диссипативных сил трения колебания системы будут затухать. Определим уравнение этих колебаний. Запишем уравнение динамики вращательного движения системы относительно мгновенной оси вращения, проходящей через точку S касания цилиндра А с плоскостью перпендикулярно плоскости рисунка 3. Кроме момента силы тяжести действует момент сопротивления качению на цилиндр (1). Величина коэффициента трения качения пропорциональна скорости V катящегося без проскальзывания цилиндра А. Если учесть связь линейной и угловой скорости цилиндра: , то
, (2)
и из формулы (1) .
Тогда уравнение динамики имеет вид
(3)
где J – момент инерции системы относительно мгновенной оси вращения S; знаки в уравнении (3) показывают, что моменты сил препятствуют увеличению угла отклонения .
П
Рис. 3
, (4)
где , (5)
. (6)
Поэтому угол отклонения стрелки Д от положения равновесия изменяется по закону
, (7)
где – (8)
частота затухающих колебаний; – угол отклонения стрелки в начальный момент времени. Колеблющаяся таким образом система является разновидностью физического маятника.
Совершив n полных колебаний за время t = nT (T – период колебаний), стрелка отклонится на угол φn (φn < φ0). Так как линейное смещение a стрелки Д вдоль шкалы Н пропорционально углу поворота стрелки , то из (7) следует, что откуда получим .
Величину (9)
называют логарифмическим декрементом затухания,
следовательно (10)
Подставляя выражения (6) и (10) в формулу (8) и учитывая, что , находим формулу для определения момента инерции J системы относительно мгновенной оси вращения S:
(11)
Из формул (5), (10) и (11) определим выражение для k:
(12)
В данной работе можно лишь приближенно оценить коэффициент трения качения. Для этого воспользуемся формулами (2) и (7). Найдем производную :
Максимальная скорость движения центра цилиндра A достигается при нулевом угле отклонения . Это условие выполняется, когда ( ). Для упрощения вычислений можно положить (амплитуда слабо уменьшается за время первого колебания).
Тогда
Таким образом, максимальную скорость качения цилиндра, а также оценку для коэффициента трения качения можно описать следующей формулой
(13)
Под цилиндр А подкладывают плоские пластинки из различного материала, что позволяет определить коэффициенты трения цилиндра для различных пар (цилиндр-пластинка) и сравнить полученные результаты.