Лабораторная работа № 7 Проверка основного закона динамики вращательного движения твёрдого тела с помощью маятника Обербека

Цель работы: экспериментальное изучение законов динамики вращательного движения с помощью маятника Обербека.

Приборы и принадлежности: прибор Обербека, штангенциркуль, миллиметровая линейка, электрический секундомер, набор грузов. Установка Elwro.

Маятник Обербека представляеткрестовину, укрепленную на двойном шкиве. Ось вращения крестовины устанавливается горизонтально и закреплена в подшипниках (рис. 15). Вращение прибора осуществляется с помощью нити, намотанной на шкив. Изменение силы натяжения производится с помощью грузов различной массы, прикрепленных к свободному концу нити. Изменение момента инерции прибора достигается передвижением четырех грузов одинаковой массы и формы по направляющим крестовины. Уравнение вращательного движения прибора (при пренебрежении силами трения) связывает три величины: момент силы натяжения нити, угловое ускорение и момент инерции прибора Момент силы натяжения нити и угловое ускорение можно вычислить, зная ускорение а поступательного движения подвешенного груза.

Рис. 15

Ускорение определяется по значениям расстояния, пройденного грузом и соответствующего промежутка времени. Таким образом, можно рассчитать момент инерции прибора с помощью величин, измеренных в эксперименте. Для падающего груза

Основное уравнение динамики вращательного движения для вращающейся части маятника.

Второй закон Ньютона для поступательно движущегося груза массой М в проекции на направление движения.

М  а = М  g - T

Отсюда

а для момента инерции J_z получается следующее выражение:

где М - масса груза, подвешенного к нити;

r— радиус шкива;

h— расстояние, пройденное грузом;

t— время, за которое груз прошел расстояние h;

g— ускорение свободного падения.

Упражнение 1

Определение момента инерции и момента силы трения в маятнике Обербека, проверка соотношения M_z=J_z.

1. Укрепить грузы на крестовине маятника. Сбалансировать маятник. Для этого сначала закрепить 2 диаметрально противоположных груза и слегка толкнуть маятник. Проследить за тем, как он будет вращаться и останавливаться. При правильной балансировке замедление вращения должно быть равномерным, а окончательное положение маятника безразличным. После этого закрепить оставшиеся два груза и снова проверить балансировку. При необходимости сместить грузы.

2. Изменяя величину груза на нити, измерить 7-8 раз угловое ускорение при фиксированном положении грузов на крестовине. Построить график зависимости  от Мr. Определить из него момент инерции и момент силы трения. Момент инерции равен Ctg угла наклона графика. Момент силы трения – точка пересечения графика с осью M r.

Снять грузы с крестовины и определить таким же образом момент инерции крестовины без груза J₀

Сравнить полученный результат с формулой

J = J_o+ 4 mR² + 4ml² +

где R- расстояние от центра масс грузов на крестовине до оси вращения, l- высота груза на крестовине, p- его радиус.

Результаты занести в таблицу.

Таблица

	№ п/п	m (кг)	t (c)	a (м/с^2)	 (1/с^2)	М r^2 (кгмм^2)	J
l1=	1 2 3 4
Без грузов	1 2 3 4
l2=

Упражнение 2

Проверить правильность соотношения .

3. При постоянной массе груза, подвешенного на нити измерить угловое ускорение и момент инерции для двух различных положений грузов на крестовине. Проверить выполнение соотношения .

Результаты занести в таблицу.

Экспериментальную проверку уравнения движения можно осуществить двумя способами:

1. При неизменном моменте инерции прибора должно сохраняться соотношение.

J=

2. При постоянной массе груза, подвешенного к нити (при постоянном моменте силы) должно выполняться соотношение

J₁₁ – J₁₂ = 4 m (R ₁² – Rl₂²)

где m – масса грузов крестовины, R ₁ и R ₂ – расстояние от оси вращения до центра тяжести грузов крестовины.