Описание экспериментальной установки маятник Обербека

Экспериментальная установка содержит узел «маятник Обербека» и предназначена для изучения законов вращательного движения тел (рис. 8).

Рис.8.

Экспериментальная установка определения момента инерции тел маятником Обербека

«Маятник Обербека» состоит из крестовины и двух шкивов раз­личного радиуса, укрепленных на одной горизонтальной оси. На шки­вы можно наматывать нить с грузом. Груз массой m, падая с высоты h, разматывает нить и приводит маятник во вращение.

Конструкция прибора позволяет изменять момент внешних сил и момент инерции системы I. Мо­мент внешних сил изменяется с изменением массы подвешенного к нити груза или при перенесе­нии нити с одного шкива на другой. Момент инерции можно изменять, перемещая грузы m₀, по стержням крестовины.

Схема экспериментальной установки приведена на рис. 9. Основными ее элементами являются: диск 1, шкив 2 и груз 3. Груз подвешен на нити, намотанной на шкив. Диск вместе со шкивом смонтированы на едином соосным с ними валу 4. Вал крепится в подшипниках 5. Для регистрации местоположения груза в установке предусмотрена вертикально расположенная линейка 6. Все элементы установки смонтированы на массивной металлической опоре.

Рис. 9.

Схема экспериментальной установки: 1 - диск 1; 2 – шкив; 3 – груз; 4 – вал; 5 – подшипники; 6 – линейка.

Диск 1 представляет собой единую конструкцию в виде фигуры вращения. Диск для удобства расчета его момента инерции условно можно разделить на два отдельных элемента: тонкий диск (рис.3) и кольцо (рис.4):

а) б)

Рис. 10.

Принципиальная схема диска: а - тонкий диск массой ; б - кольцо массой

Напоминаем, что моменты инерции этих тел не зависят от их толщины.

Порядок выполнения работы «Определение момента инерции тел маятником Обербека»

1. Приступив к работе, снимите грузы m₁ со стержней, если они там находятся.

2. Заранее выберите отметку (например, 50см), от которой начнется движение груза m.

3. Вращая маятник рукой, намотайте нить на шкив большего диаметра, следя, чтобы груз m достиг выбранного положения.

4. Включите электронный секундомер.

5. Проведите первый эксперимент, используя в качестве груза, тянущего нить, только одну подставку массой m_под без подгрузков. Предварительно нажатием кнопки «Режим» установите режим №1 (светится индикатор «Реж.1»). Затем нажмите кнопку «Пуск». При этом отключится тормозное устройство, удерживающее маятник, и одновременно включится секундомер. При включенном режиме №1 секундомер в момент прохождения грузом нижней точки автоматически остановится, причем одновременно сработает тормозное устройство. Внесите результаты первого эксперимента в таблицу измерений.

6. Проведите по одному эксперименту, поместив на подставку сначала один, а затем сразу два подгрузка. Результаты внесите в таблицу измерений. По формуле (26) рассчитайте величину углового ускорения ε для соответствующих значений m.

7. Постройте зависимость ε(m). Определите из графика по точке его пересечения с осью абсцисс значение m₀, при котором ε = 0. Рассчитайте по формуле (30) величину момента сил сопротивления M_СОПР .

8. Вычислите по формуле (32) значение момента инерции барабана со стержнями I₁.

9. Закрепив грузы m₁ на стержнях маятника на равном расстоянии r от оси вращения, определите это расстояние, используя деления нанесенные на стержни и указанные около установки исходные данные.

10. Проведите однократные измерения времени t опускания груза массой m (выберите одно значение) для одной высоты падения при трёх различных расстояниях r от оси вращения.

11. Вычислите моменты инерции маятника с грузами на стержнях по формуле (32) при различных расстояниях r. При этом, как показали предварительные эксперименты, можно с допустимой точностью использовать в качестве величины m₀ её значение, найденное ранее для крестовины без грузов на спицах. Сравните полученные данные со значениями момента инерции, вычисленными по формуле для соответствующих значенийr.

12. Постройте на одном рисунке графики экспериментально полученной и теоретически ожидаемой зависимости момента инерции маятника от r ² .

13. Результаты экспериментов занести в таблицу 1.

Таблица. 1.

№	m	MСОПР	t	r	I