Виды равновесия

Задание 4. Покажите различные виды равновесия однородного тела, имеющего точку опоры.

Оборудование: деревянная линейка или брусок, нить, штатив, прибор для демонстрации различных видов равновесия.

Подвесьте на нити, укрепленной в штативе, деревянную линейку или брусок, на котором отмечен найденный заранее центр тяжести.

Подвешивание произведите тремя способами так, чтобы центр тяжести находился:

– ниже точки подвеса;

– выше точки подвеса;

– в центре точки подвеса.

Покажите поведение линейки во всех трех случаях при выведении ее из положения равновесия. Какое из положений равновесия следует называть устойчивым, неустойчивым, безразличным?

Осуществите демонстрацию различных видов равновесия шара на приборе, изображенном на рис.33. Сравните две демонстрации.

Рис. 33.

Задание 5. Продемонстрируйте устойчивость тела, имеющего площадь опоры.

Оборудование: наклонная призма с отвесом, кольцо на стойке с закрепленной в центре гайкой.

Используйте для этого наклонную призму с отвесом. Покажите все три вида равновесия на кольце с закрепленной в центре гайкой. Перемещение центра тяжести достигается смещением гайки. Снимите кольцо со стоек и поставьте на стол. Покажите и в этом случае виды равновесия.

Ответьте на следующие вопросы:

1) Считаете ли вы целесообразным проведение лабораторной работы по определению центра тяжести? В каком классе можно бы поставить эту работу?

2) Как показать на опыте определение центра тяжести объемной фигуры?

3) Какие домашние экспериментальные задания можно рекомендовать учащимся по данной теме?

4) Какие игрушки можно использовать как наглядные пособия по этой теме?

Устойчивость

Задание 6. Покажите предварительные опыты для выяснения зависимости устойчивости тела от площади опоры и высоты центра тяжести.

Оборудование: деревянный прямоугольный брусок, карандаш.

Поставьте деревянный прямоугольный брусок меньшей гранью на стол. Попробуйте легким ударом по боковой грани бруска столкнуть его. Брусок, покачнувшись, вернется в прежнее положение. При значительном ударе он падает, но при этом переходит в состояние более устойчивого положения. Значит, устойчивость бруска зависит от площади опоры.

Покажите, что карандаш, поставленный тупым концом на поверхность стола, падает даже при легком сотрясении. Устойчивость карандаша резко увеличится, если тупой конец вставить в отверстие дощечки, просверленное по его размерам.

Во флакон из–под чернил (устар.) насыпьте песок, закройте пробкой. В пробку вертикально воткните спицу и насадите на нее груз. Покажите, что, чем выше поднят груз, тем легче опрокинуть флакон.

Задание 7. Измерьте устойчивость деревянного бруска.

(Введение понятия о динамической мере устойчивости).

Рис. 34.

Оборудование: брусок, подставка с порогом, нить, блок, чаша, набор грузов.

Мерой устойчивости бруска, как было показано на предварительных опытах, может служить сила сваливания бруска, приложенная к его центру тяжести и действующая в горизонтальном направлении перпендикулярно к боковой поверхности. Для этого используйте прибор, показанный на рис. 34.

Брусок поставьте на подставку с порогом, нитку крючком закрепите за скобу, находящуюся на боковой поверхности бруска, затем перебросьте через блок. На другой конец ее подвесьте чашу для гирь. Нитка должна быть перпендикулярна боковой поверхности бруска. На центр тяжести действуют две силы – сила тяжести Р и боковая сила Q. В мгновение, предшествующее падению, моменты этих сил равны

; .

При этом Y—высота центра тяжести, X—расстояние от боковой грани до центра тяжести. Боковая сила служит динамической (силовой) мерой устойчивости тела, зависит от веса, высоты центра тяжести и ширины основания.

Ставя брусок на подставку другими гранями, покажите зависимость устойчивости от высоты центра тяжести и от ширины основания.

Рис. 35.

Задание 8. Покажите зависимость угла (введение геометрической меры устойчивости) от высоты центра тяжести и от площади опоры.

Оборудование: прибор для демонстрации зависимости угла от высоты центра тяжести и от площади опоры.

Другой мерой устойчивости может быть величина угла ОКС (рис. 35), на который может быть наклонен брусок, не опрокидываясь, так что центр тяжести займет наивысшее положение С.

Рис. 36.

Чем больше угол, тем более устойчиво тело.

Угол называется геометрической мерой устойчивости. Для демонстрации используйте прибор, изображенный на рис. 36.

Брусок, в котором можно изменить центр тяжести с помощью свинцовой вставки и увеличить площадь основания с помощью деревянной вставки на подвижную подставку левее порога (а). Взяв рукой указатель (в), поднимите брусок и по шкале определите угол.

Самостоятельно продумайте введение понятия энергетической меры устойчивости тел.