Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
лаб6.docx
Скачиваний:
1
Добавлен:
01.07.2025
Размер:
75 Кб
Скачать
☆

Описание прибора

Проверка основного закона динамики проводится на маятнике Обербека (рис. 2). По четырем взаимно перпендикулярным стержням могут перемещаться грузы в форме цилиндра, в результате чего момент инерции системы изменяется. Стержни укреплены на валике с наматывающейся на него нитью, к концу которой прикрепляются сменные грузы. Под действием груза нить, разматываясь с валика, приводит всю систему во вращательное движение. Определим основные величины, входящие в уравнение (3), в применении к маятнику Обербека. В установке маятник Обербека имеет только 2 стержня, что надо учитывать при вычислении момента инерции.

Рис. 2

Угловое ускорение

Обозначим через высоту падения груза, прикрепленного к концу нити, через – время падения, тогда линейное ускорение груза будет равно . С таким же ускорением движутся точки по поверхности валика. Если радиус валика равен , то величина углового ускорения запишется как:

Момент сил

Вращательный момент инерции системы равен , где натяжение нити, - радиус – вектор точки приложения силы . Величину натяжения нити можно определить из второго закона Ньютона для падающего груза (натяжение нити направлено в сторону, противоположную силе тяжести). Отсюда

или .

Момент инерции

Полный момент инерции системы состоит из суммы моментов инерции валика, стержней, насаженных на них цилиндров: .

Если составляющие маятник части являются геометрически правильными и простыми по своей форме, то все три составляющие можно рассчитать теоретически. В настоящей инструкции прибора такой расчет для (стержня) и (валика) затруднен, поэтому их сумму будем определять экспериментально.

Момент инерции цилиндра массы рассчитывается следующим образом. Для того чтобы найти момент инерции тела относительно произвольной оси – в нашем случае, оси (рис. 3) необходимо воспользоваться теоремой Гюйгенса–Штейнера:

,

где – момент инерции одного цилиндра,  – момент инерции цилиндра относительно оси , параллельной заданной оси , и проходящей через его центр масс.

Рис. 3

Для решения разбиваем цилиндр на бесконечно тонкие диски массой и толщиной и определяем момент каждого диска относительно оси, лежащей в его плоскости и параллельной оси . Момент инерции кольца относительно центра имеет вид

.

Для плоского тела . Так как для однородного симметричного тела , то момент инерции кольца относительно оси равен

Пусть одно из колец находится на расстоянии от оси . Тогда по теореме Гюйгенса–Штейнера с учетом момент инерции цилиндра относительно оси :

.

Учитывая, что , получаем:

Интегрируя по всей длине цилиндра, находим его момент инерции относительно оси z:

.

Из полученного выражения видно, что момент инерции цилиндра относительно оси, проходящей через его центр масс перпендикулярно геометрической оси, можно рассчитать как сумму соответствующих моментов инерции диска относительно диаметра и тонкого стержня относительно оси, проходящей через центр масс перпендикулярно стержню. Этим приемом можно воспользоваться при расчете моментов инерции сплошных и полых цилиндров относительно осей , проходящих как через центр масс, так и через край цилиндра.

Для двух цилиндров имеем:

(6)

где – масса одного цилиндра, – расстояние от оси вращения до центра массы цилиндра, – длина цилиндра, и – его внутренний и внешний радиусы (см. рис. 2). Обозначим

Тогда:

I (7)

Значение можно определить опытным путем, используя уравнение (3). Для этого со стержней маятника снимаются цилиндры, момент инерции такой системы будет равен .

Предоставим возможность системе прийти во вращательное движение под действием любого груза. Тогда из соотношения (3) получим:

В данной работе необходимо проверить три соотношения:

,

,

,