Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвелла

Видео:Основное уравнение динамики вращательного движения. 10 класс.Скачать

Основное уравнение динамики вращательного движения. 10 класс.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 108

Цель работы: Определение момента инерции маятника Максвелла.

Приборы и принадлежности: маятник Максвелла FРМ-03, комплект сменных колец.

Видео:Маятник Максвелла.Скачать

Маятник Максвелла.

Теоретическое введение

Момент инерции – аналог массы. Как масса является мерой инертности при поступательном движении, так и момент инерции является мерой инертности при вращательном движении. При вращении тела вокруг различных осей моменты инерции различны. Величина момента инерции относительно какой-нибудь оси определяется пространственным распределением элементарных масс тела – геометрией тела. Аналитическое вычисление величины момента инерции производится путем интегрирования выражения

Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвелла

где r — плотность вещества в элементе объема dV, находящегося на расстоянии r от оси вращения.

При сложной форме поверхности тела и неравномерном распределении плотности аналитический подсчет величины момента инерции может быть достаточно сложной задачей.

Экспериментальное же определение момента инерции осуществить легко. В настоящей работе измеряется момент инерции металлических колец с помощью маятника Максвелла.

Маятник Максвелла – небольшой ролик, насаженный туго на ось, опускается под действием силы тяжести на двух нитях, предварительно намотанных на ось диска (рис.1).

Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвелла
Нити во время движения вниз разматываются до полной длины, раскрутившийся диск продолжает вращательное движение и наматывает нити на ось, вследствие чего он поднимается вверх, замедляя при этом свое вращение. Дойдя до верхней точки, диск опять будет опускаться вниз и т.д. Диск будет совершать колебания вверх и вниз, поэтому такое устройство называется маятником.

Уравнение движения маятника Максвелла можно записать, используя основной закон динамики поступательного и вращательного движений. Уравнения движения маятника Максвелла без учета сил трения имеют вид:

Для поступательного движения, исходя из II законы Ньютона

Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвелла

А для вращательного движения

Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвелла

Связь между тангенциальным ускорением ( Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвелла) поступательного движения и угловым ускорением ( Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвелла) вращательного движения имеет вид:

Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвелла

где m — масса маятника, J — момент инерции маятника,
T — натяжение одной нити, r -радиус оси маятника вместе с намотанной на нее нитью подвески.

Ускорение a может быть найдено через измеренное время движения t и проходимое маятником расстояние h из известного уравнения

Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвелла

Из уравнений (1) – (4) может быть получена расчетная формула для момента инерции маятника Максвелла:

Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвелла

где D – внешний диаметр оси маятника вместе с намотанной на нее нитью подвески определяется по формуле

Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвелла

где D0 – диаметр оси маятника в м; Dn – диаметр нити подвески в м; h – длина маятника, равная высоте, на которую он поднимается в м; m – масса маятника вместе с кольцом в кг.

Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвелла

где m0 – масса оси маятника в кг; mр – масса ролика в кг; mк – масса кольца, аксиально положенного на ролик в кг.

Видео:ЛР "Проверка основного уравнения динамики вращательного движения с помощью маятника Обербека"Скачать

ЛР "Проверка основного уравнения динамики вращательного движения с помощью маятника Обербека"

Описание рабочей установки и метода измерений

Видео:ЛР "Изменение движения маятника Максвелла"Скачать

ЛР "Изменение движения маятника Максвелла"

Параметры маятника:

• максимальная длина маятника h = 410 мм;

• количество сменных колец 3;

• размеры маятника: диаметр оси маятника D0 = 10 мм;

внешний диаметр ролика Dр= 86 мм;

внешний диаметр колец Dк= 105 мм;

диаметр нити подвески Dn= 0,5 мм.

Общий вид маятника FРМ показан на рис. 2.

SHAPE * MERGEFORMAT

Рис. 2. Маятник Максвелла

Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвелла

Основание 1 оснащено регулируемыми ножками 2, которые позволяют произвести выравнивание прибора. В основании закреплена колонка 3, к которой прикреплен неподвижный верхний кронштейн 4 и подвижный нижний 5. На верхнем кронштейне находится электромагнит 6, фотоэлектрический датчик №1-7 и вороток 8 для закрепления и регулирования длины бифилярной подвески маятника.

Нижний кронштейн вместе с прикрепленным к нему фотоэлектрическим датчиком №2-9 можно перемещать вдоль колонки и фиксировать в произвольно избранном положении.

Маятник 10 – это ролик, закрепленный на оси и подвешенный по бифилярному способу, на который накладываются сменные кольца 11, изменяя, таким образом, момент инерции системы.

Маятник с наложенным кольцом удерживается в верхнем положении электромагнитом. Длина маятника определяется по миллиметровой шкале на колонке прибора. С целью облегчения этого измерения нижний кронштейн оснащен красным указателем, помещенным на высоте оптической оси нижнего фотоэлектрического датчика.

Видео:Урок 93. Основное уравнение динамики вращательного движенияСкачать

Урок 93. Основное уравнение динамики вращательного движения

Ход работы

1. Включить сетевой шнур измерителя в сеть, нажать клавишу «СЕТЬ», проверяя, все ли индикаторы измерителя высвечивают цифру ноль, и засветилась ли лампочка фотоэлектрического датчика?

2. Нижний кронштейн прибора передвинуть и зафиксировать в крайнем положении.

3. На ролик маятника надеть кольцо, прижимая его до упора.

4. На ось маятника намотать нить подвески и зафиксировать ее. Проверить, отвечает ли нижняя грань кольца нулю шкалы на колонке. Если нет, отвинтить верхний кронштейн и отрегулировать его высоту. Привинтить верхний кронштейн.

5. Нажать клавишу «ПУСК» миллисекундомера FРМ-03.

6. Открутить гайку воротка для регулирования длины бифилярной подвески. Определить длину нити таким образом, чтобы край стального кольца после опускания маятника находился на 2 мм ниже оптической оси нижнего фотоэлектрического датчика. Одновременно произвести корректировку установки маятника, чтобы его ось была параллельна основанию прибора. Закрутить гайку воротка.

7. Отжать клавишу «ПУСК» миллисекундомера FРМ-03.

8. Намотать на ось маятника нить подвески, обращая внимание на то, чтобы она наматывалась равномерно.

9. Зафиксировать маятник при помощи электромагнита.

10. Повернуть маятник в направлении его движения на угол около 5 0 .

11. Нажать клавишу «СБРОС».

12. Нажать клавишу «ПУСК».

13. Определить значение времени падения маятника. Опыт повторить 5 раз.

14. Определить значение среднего времени падения маятника по формуле Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвеллагде n – количество выполненных замеров; ti – значение времени, полученное в i-ом замере;
t > — среднее значение времени падения маятника.

15. Со шкалы на вертикальной колонке прибора определить длину маятника.

16. Используя формулу (6) и известные значения диаметров D0 и Dn, определить диаметр оси вместе с намотанной на неё нитью.

17. По формуле (7) вычислить массу маятника вместе с аксиально наложенным кольцом. Значения масс отдельных элементов нанесены на них.

18. По формуле (5) определить момент инерции маятника.

19. Оценить погрешность результата измерений.

20. Данные результатов измерений и вычислений занести в таблицу.

Видео:Лабораторная работа №3. Изучение и проверка основного закона динамики вращательного движенияСкачать

Лабораторная работа №3. Изучение и проверка основного закона динамики вращательного движения

Цель работы изучение законов динамики поступательного и вращательного движения на примере маятника Максвелла

Главная > Документ

Информация о документе
Дата добавления:
Размер:
Доступные форматы для скачивания:

Лабораторная работа №5

Цель работы — изучение законов динамики поступательного и вращательного движения на примере маятника Максвелла.

Приборы и принадлежности: маятник Максвелла FPM-03; комплект сменных колец: кольцо 0301ЧЮ60-01 массой 0,25 кг, кольцо 0301-0080-02 массой 0,35 кг, кольцо 0301-0080-03 массой 0,46 кг.

Краткие сведения из теории

Действие прибора основано на одном из основных законов механи­ки — законе сохранения механической анергии: полная механическая анергия системы, на которую действуют только консервативные силы, постоянна. Маятник Максвелла представляет собой твердое тело, наса­женное на ось. Ось подвешена на двух накручивающихся на нее нитях (рис. 5.1). Под действием силы тяжести маятник совершает колебания в вертикальном направлении и вместе с тем крутильные колебания во­круг своей оси. Пренебрегая силами трения, систему можно считать консервативной. Закрутив нити , мы поднимаем маятник на высоту h, сообщив ему запас потенциальной анергии. При освобождении маятника он начинает движение под действием силы тяжести: поступательное вниз и вращательное вокруг своей оси. При этом потенциальная энер­гия переходит в кинетическую. Опустившись в крайнее нижнее положе­ние, маятник будет по инерции вращаться в том же направлении, нити намотаются на ось и маятник поднимется. Так происходят колебания маятника.

Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвелла

Напишем уравнения движе­ния маятника. При поступательном движении маятника по вто­рому закону Ньютона с учетом действующих ни маятник сил можно написать

Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвелла,

где m — масса маятника, g -ускорение силы тяжести, a — Рис. 5.1. ускорение поступательного дви-

жения центра масс маятника,

Т- сила натяжения одной нити ,

Проектируя это уравнение, получим

Для вращательного движения маятника запишем основной закон динами­ки вращательного движения для абсолютно твердого тела:

Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвелла, где J- момент инерции маятника относительно его оси вращения,  — угловое ускорение маятника, М — результирующий момент внешних сил относительно оси вращения.

Поскольку момент силы тяжести относительно оси вращения равен нулю,

Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвелла, (5.2)

где r — радиус оси. Так как Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвеллаи из (5.1) 2Т = m(g — a), можем написать:

Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвелла,

а после преобразований

Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвелла.

Ускорение а может быть получено по измеренному времени движения и проходимому маятником расстоянию h из уравнения равноускоренного движения без начальной скорости:

Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвелла.

Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвеллаи,

если подставить диаметр оси D, получим основную расчетную формулу

Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвелла. (5.3)

Описание экспериментальной установки

Общий вид прибора показан на рис. 5.2. Основание 1 снабжено регулируемыми ножками 2, позволяющими произвести выравнивание при­бора. В основании закреплена колонка 3, к которой прикреплен непод­вижный верхний кронштейн 4 и подвижный нижний кронштейн 5. На верх­нем кронштейне находится электромагнит 6, фотоэлектрический датчик №17 и вороток 8 для закрепления и регулирования длины бифилярной подвески маятника .

Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвелла

Нижний кронштейн вместе с прикрепленный в нему фотоэлектрическим датчиком № 29 можно перемещать вдоль колонки и фиксировать в произвольно избранной положении .

Тело маятника 10 — его ролик , закрепленный на оси, на который накладываются сменные кольца, изменяющие момент инерции маятника.

Маятник удерживается в верхнем положении электромагнитом. Его длина определяется по миллиметровой шкале на колонке прибора с погрешностью не более двух миллиметров. Для более точного намерения Длины на нижнем кронштейне имеется красный указатель, помещенный на высоте оптической оси нижнего фотоэлектрического датчика. Для намерения времени падения с относительной погрешностью не более 0,О2% служит электронная схема, состоящая из миллисекундомера FPM-15, двух фотоэлектрических датчиков FK-1 и электромагнита. При прохождении маятника мимо фотоэлектрического датчика последний да­ет в схему миллисекундомера электрический сигнал, фиксирующий мо­мент прохождения маятника. Фотоэлектрический датчик №1 соединен с гнездом ZLI миллисекундомера 12, а фотоэлектрический датчик № 2 — с гнездом ZL2. Лицевая и задняя панели миллисекундомера изображены на рис. 5.3.

На лицевой панели миллисекундомера находятся следующие манипуляционные элементы:

W1 (сеть) — выключатель сети — нажатие клавиши включает на­пряжение питания, при атом загораются цифровые индикаторы (цифра ноль) и лампочки фотоэлектрических датчиков;

W2 (сброс) — установка нуля — нажатия клавиши вызывает сброс схем миллисекундомера;

W3 (пуск) — управление электромагнитом — нажатие клавиши оз­начает освобождение электромагнита и генерирование в схеме миллисекундомера импульса разрешения на измерение.

На задней панели миллисекундомера находятся:

ZL1 — семиконтактное гнездо для подключения фотоэлектрическо­го датчика №1 и электромагнита;

ZL2 — пятиконтактное гнездо для подключения фотоэлектрическо­го датчика № 2;

ZL3 — заземляющий зажим.

Эксплуатация прибора допускается только при условии заземления!

Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвелла

Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвелла

1. Определить момент инерции маятника (для трех разных смен­ных колец).

2. Сравнить полученный результат с теоретическим значением.

Порядок выполнения работы

I. Подготовка прибора к измерениям.

1. Привести прибор к горизонтальному положению ори помощи регулируемых ножек основания.

2. Заземлить прибор.

3. Подключить фотоэлектрические датчики к соответствующим гнездам.

4. Включить сетевой кабель в сеть.

5. Нажать клавишу W1(сеть). Проверить высвечивание нуль-инди­каторов и сигнальных: лампочек фотоэлектрических датчиков.

II. Последовательность измерений при помощи маятника Максвелла.

1. Зафиксировать нижний кронштейн в крайней нижней положении.

2. Наложить кольцо на ролик, прижимая его до упора.

3. Намотать на ось нить подвески и фиксировать ее.

4. Проверить, совладает ли нижняя грань кольца с нулем шкалы на колонке. Если нет, отвинтить верхний кронштейн и отрегулировать его высоту. Привинтить верхний кронштейн.

5. Нажать клавишу «пуск» миллисекундомера.

6. Деблокировать гайку воротка для регулирования длины подвес­ки. Установить длину нити так, чтобы край стального кольца после опускания маятника находился примерно на 2 мм ниже оптической оси нижнего фотоэлектрического датчика. Одновременно произвести коррек­тировку установки маятника так, чтобы его ось была параллельной ос­нованию прибора. Блокировать вороток.

7. Отжать клавишу «пуск» миллисекундомера.

8. Намотать на ось маятника нить подвески, обращая внимание на то, чтобы она наматывалась равномерно, один виток за другим.

9. Фиксировать маятник при помощи электромагнита, обращая вни­мание на то, чтобы нить в этом положении не была слишком скручена.

10. Повернуть маятник в направлении его движения на угол около 5.

11. Нажать клавишу «Сброс».

12. Нажать клавишу «пуск».

13. Измерить время падения маятника в секундах по миллисекундомеру.

14. Произвести определение времени пять раз.

15. Определить длину маятника в метрах по шкале на вертикальной колонке прибора.

Видео:Лабораторная работа - 8М: Определение момента инерции маятника Максвелла.Скачать

Лабораторная работа - 8М: Определение момента инерции маятника Максвелла.

Лабораторная работа № 1-3. Маятник Максвелла

Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвелла

Лабораторная работа № 1-3

Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвеллаЦель работы: познакомиться с основными понятиями кинематики и динамики поступательного и вращательного

движения. Экспериментально определить угловое ускорение и момент инерции маятника.

Приборы и принадлежности: маятник Максвелла, набор металлических накладных колец, втулки.

Описание экспериментальной установки.

Данная установка называется маятником Максвелла. Она служит для определения момента инерции тела. Небольшой диск (маховичок), туго надетый на ось опускается под действием силы тяжести на двух нитях, предварительно намотанных на ось маховичка. Нити во время движения разматываются до полной длины. Раскрутившийся маховичок по инерции продолжает вращательное движение в том же направлении и наматывает нити на ось, вследствие чего он поднимается вверх, замедляя при этом вращение. Дойдя до верхней точки, диск опять опускается вниз и т. д. Маховичок будет совершать колебания вверх — вниз, поэтому данное устройство и называют маятником.

Общий вид маятника Максвелла приведён на рис. 1.

На основании 1 закреплена стойка 2, к которой прикреплены неподвижный верхний кронштейн 3 и подвижный кронштейн 4. На верхнем кронштейне находится электромагнит 5, фотоэлектрический датчик №1 6 и вороток с фиксатором 7 для закрепления и регулировки длины маятника.

Нижний кронштейн 4 с фотодатчиком № 2 8 можно перемещать вдоль стойки и фиксировать в выбранном положении. Маятник 9 — это диск, закрепленный на оси и подвешенный на двух нитях к неподвижному кронштейну. На диск накладываются сменные металлические кольца 10, изменяющие момент инерции системы. Маятник с наложенным кольцом удерживается в верхнем положении электромагнитом. Длина маятника определяется по миллиметровой шкале стойки прибора. Сигналы с фотодатчиков служат для автоматического пуска и остановки миллисекундомера 11.

Видео:Маятник МаксвеллаСкачать

Маятник Максвелла

Основные теоретические сведения

Основы кинематики поступательного и вращательного движения тела.

Поступательным называется движение, при котором любая прямая, проведённая в теле, остаётся параллельной сама себе при движении тела.

Основными особенностями такого вида движения являются следующие обстоятельства:

при поступательном движении все точки тела движутся совершенно одинаково, то есть имеют одну и ту же скорость, ускорение, траектории движения, совершают одинаковые перемещения и проходят одинаковый путь.

в этом случае при описании движения тела его можно рассматривать как материальную точку.

Для описания поступательного движения тел вводят в рассмотрение следующие понятия:

Для характеристики быстроты перемещения тела в пространстве вводят понятие скорости Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвелла:

Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвелла, размерность скорости: Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвелла, метр в секунду.

Физический смысл скорости: она показывает, какое перемещение совершает тело за единицу времени при равномерном движении.

(пример: Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвеллаозначает, что тело за каждую секунду перемещается на 5 м.)

Вектор скорости направлен по касательной к траектории движения материальной точки.

Для характеристики быстроты изменения скорости по величине и направлению вводят понятие ускорения Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвелла:

Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвелла, размерность ускорения:Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвелла, метр на секунду в квадрате.

Таким образом, ускорением называется векторная величина, равная первой производной по времени от мгновенной скорости тела.

Физический смысл ускорения: оно показывает, на сколько изменяется скорость тела за единицу времени при равнопеременном движении.

(например: Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвеллаозначает, что скорость тела изменяется на Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвеллаза каждую секунду.)

Направление вектора ускорения Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвелласовпадает с направлением вектораУравнение динамики вращательного движения для маятника максвелла.

При прямолинейном движении тела ускорение сонаправлено с вектором Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвеллав случае ускоренного движения тела и противоположно направлено при замедленном движении.

При криволинейном движении вектор ускорения Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвеллав общем случае образует с вектором мгновенной скорости Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвелланекоторый угол Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвелла.

Вращательным называется движение, при котором все точки тела описываю окружности, центры которых лежат на одной и той же прямой, называемой осью вращения тела.

Основной особенностью такого вида движения является следующее обстоятельство:

при вращательном движении все точки абсолютно твёрдого тела движутся с одной и той же угловой скоростью и угловым ускорением и совершают одинаковые угловые перемещения.

Для описания вращательного движения тела вводят в рассмотрение следующие понятия:

Угол поворота Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвелла— это угол, на который поворачивается радиус-вектор любой точки тела при его вращении.

Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвеллаУравнение динамики вращательного движения для маятника максвелла, радиан.

Элементарное угловое перемещение Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвелламожно рассматривать как вектор Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвелла, направление которого определяется по правилу буравчика (правилу правого винта):

если рукоятку буравчика вращать по направлению вращения тела, то поступательное движение буравчика будет совпадать с направлением вектора Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвелла (см. рис. 3).

Удобство такого введения в следующем:

— модуль вектора однозначно определяет величину элементарного поворота тела Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвелла,

— направление вектора через правило буравчика определяет направление вращения тела,

— положение вектора в пространстве определяет

ось вращения тела.

Для характеристики быстроты вращения тела в пространстве вводится понятие угловой скорости Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвелла.

Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвелла, размерностьУравнение динамики вращательного движения для маятника максвелла, радиан в секунду.

Угловая скорость есть первая производная по времени от угла поворота.

Физический смысл угловой скорости: она показывает, на какой угол поворачивается радиус-вектор любой точки тела за единицу времени при равномерном вращении.

(например: Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвеллаозначает, что за каждую секунду радиус-вектор поворачивается на 2 радиана)

Направление угловой скорости совпадает с направлением вектора Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвелла, то есть она также определяется по правилу буравчика.

Для характеристики быстроты изменения угловой скорости вводится понятие углового ускорения Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвелла:

Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвелла, размерностьУравнение динамики вращательного движения для маятника максвелла, радиан на секунду в квадрате.

Физический смысл углового ускорения: оно показывает, на сколько изменяется угловая скорость тела за единицу времени при равнопеременном вращении.

(например: Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвеллаозначает, что за каждую секунду угловая скорость тела изменяется на Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвелла.)

Направление вектора углового ускорения Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвелласовпадает с направлением вектора Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвелла, то есть оно сонаправлено с вектором Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвеллапри ускоренном вращении тела и противоположно направлено при замедленном вращении.

Векторы, направление которых связывают с направлением вращения, называются псевдовекторами или аксиальными в отличие от обычных векторов (Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвелла,Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвелла, Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвеллаи т. д.), которые называются полярными.

Основы динамики поступательного и вращательного движения тела.

Для описания взаимодействия одного тела на другое вводят понятие силы Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвелла.

Сила – векторная величина, являющаяся мерой механического воздействия на тело других тел или полей и характеризующая величину и направление этого воздействия.

Под действием силы тело может:

— деформироваться (статическое проявление силы),

— приобретать ускорение (динамическое проявление силы).

Основным уравнением динамики поступательного движения тела является второй закон Ньютона.

Одной из формулировок этого закона является следующая:

В инерциальной системе отсчёта векторная сумма всех сил, действующих на тело, равна произведению массы этого тела на сообщённое ему ускорение.

Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвелла,

где Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвелла— сила, Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвелла, Ньютон, Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвелла— масса тела, Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвелла, килограмм, Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвелла— ускорение тела,Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвелла.

Масса тела Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвеллаявляется одной из важнейших понятий динамики, характеризующая инертные и гравитационные свойства тела. Масса тела – величина аддитивная (то есть масса тела равна сумме масс всех его частей).

Опыт показывает, что при описании вращательного движения твёрдого тела, кроме величины и направления действующей на тело силы, важной характеристикой является ещё и точка приложения этой силы.

В связи с этим вводят в рассмотрение понятие момента силы Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвелла.

Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвеллаМоментом силы Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвеллаотносительно неподвижной точки О называется векторная величина, равная векторному произведению радиус-вектора Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвелла, проведённого из точки О в точку приложения силыУравнение динамики вращательного движения для маятника максвелла, на саму эту силу:

Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвеллаили Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвелла, гдеУравнение динамики вращательного движения для маятника максвелла, Ньютон. метр.

Вектор момента силы Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвеллаявляется аксиальным, то есть его направление определяется по правилу векторного произведения (или правилу правого винта):

если винт вращать от первого сомножителя в векторном произведении ко второму по кратчайшему повороту, то поступательное движение винта укажет направление искомого вектора (см. рис. 4)

Следует помнить, что перед применением этого правила необходимо совместить начала перемножаемых векторов.

Можно использовать более простое правило буравчика:

если рукоятку буравчика вращать по направлению действия силыУравнение динамики вращательного движения для маятника максвелла, то поступательное движение буравчика будет совпадать с направлением вектора момента силы Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвелла(см. рис. 5).

Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвеллаНа рис. 4 и 5 вектор Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвелланаправлен перпендикулярно плоскости чертежа на нас.

При этом следует помнить, что начало вектора Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвелласовпадает с точкой О,

сам вектор перпендикулярен одновременно векторам Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвеллаи Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвелла, а его величину можно определить по формуле:

Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвеллаили Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвелла,

где Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвелла— угол между векторамиУравнение динамики вращательного движения для маятника максвеллаи Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвелла, а величина Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвелланазывается плечом силы Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвелла, Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвелла, метр.

Плечом силы Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвелланазывается кратчайшее расстояние от точки О до линии действия силы Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвелла(см. рис. 5).

Величина Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвеллазависит от выбора точки О.

Моментом силы Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвеллаотносительно неподвижной оси Z называется скалярная величина, равная проекции на эту ось вектора момента силы Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвеллаотносительно любой точки О, выбранной на этой оси:

Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвелла.

Величина Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвелла не зависит от выбора точки О на этой оси Z .

Наблюдения показывают, что при рассмотрении вращательного движения тела, основной характеристикой инертных свойств тела является не масса этого тела Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвелла, а величина, которая называется моментом инерции тела Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвелла.

Различают момент инерции тела относительно точки и момент инерции тела относительно оси.

Моментом инерции тела относительно точки О называется величина равная Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвелла,

где Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвелла— кратчайшее расстояние от точки О до элементарной массы тела Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвелла.

Моментом инерции тела относительно оси Z называется величина равная Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвелла,

где Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвелла— кратчайшее расстояние от оси Z до элементарной массы тела Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвелла.

Основной особенностью момента инерции тела является то обстоятельство, что его величина зависит от выбора оси вращения тела и распределение массы тела относительно рассматриваемой оси. То есть в отличие от массы Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвелла, одно и то же тело имеет бесконечное множество моментов инерции Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвелла, в зависимости от выбора оси вращения. В общем случае момент инерции тела относительно произвольной оси можно рассчитать по формуле:

Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвелла,

где Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвелла, Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвелла— это функция зависимости плотности тела от координат, а сам интеграл определяется по всему объёму данного тела.

Однако на практике моменты инерции тел обычно определяют опытным путём, в связи с тем, что математически определить момент инерции тела иногда бывает очень сложно (более подробно о моменте инерции смотрите лабораторную работу 1-4).

Основным уравнением динамики вращательного движения тела является закон аналогичный второму закону

Ньютона, одной из возможных формулировок которого является следующая:

В инерциальной системе отчёта алгебраическая сумма моментов всех внешних сил Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвелла, действующих на тело относительно неподвижной оси Z , равна произведению момента инерции этого тела относительно этой оси Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвелла, на сообщённое ему угловое ускорение e :

Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвелла.

Уравнения для поступательного и вращательного движения маятника без учёта сил сопротивления воздуха в нашем случае имеют вид:

Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвелла

где m — полная масса маятника, кг, I — момент инерции маятника, кг. м2, g — ускорение свободного падения, м/с2,

r — радиус оси маятника, м, Т — сила натяжения нити (одной), Н, Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвелла— ускорение поступательного движения центра масс маятника, м/с2, e — угловое ускорение маятника, рад/с2.

Так как уравнение вращательного движения маховичка относительно оси вращения: Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвелла,

где Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвелла— результирующий момент действующих на маятник сил относительно оси вращения, то с учетом уравнения (1), момент действующих сил можно определить по формуле:

Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвелла.

Видео:Урок 94. Вычисление моментов инерции телСкачать

Урок 94. Вычисление моментов инерции тел

Упражнение 1. Определение углового ускорения маятника и его дисперсии

1. Установите при помощи подвижного кронштейна высоту падения маятника h , заданную преподавателем. При помощи воротка с фиксатором 7 отрегулируйте длину нитей маятника Максвелла. Следите за тем, чтобы ось маятника была расположена горизонтально.

2. На диск маятника наложите стальное кольцо и запишите его массу . Убедитесь, что край стального кольца находится примерно на 2 мм ниже оптической оси нижнего фотоэлектрического датчика. Если нет, отрегулируйте высоту нижнего кронштейна с фотоэлектрическим датчиком. Замерьте радиус оси маятника Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвелла.

3. Включите кнопку «СЕТЬ».

4. Нажмите кнопку «СБРОС» чтобы убедиться, что на табло установились нули.

5. Аккуратно вращая диск маятника, намотайте на его ось нить и зафиксируйте его в верхнем положении при помощи электромагнитов. При этом следите за тем, чтобы нити наматывались на ось виток к витку.

6. Нажмите кнопку «ПУСК» на передней панели миллисекундомера, удерживая её в течение одной секунды.

При этом маятник начнёт двигаться вниз, а таймер производить отсчет времени. В момент пересечения маятником оптиче ской оси фотодатчика отсчет времени должен прекратиться.

7. Прочитайте измеренное значение времени падения маятника и занести его в таблицу 1.

8. Нажмите кнопку «СБРОС» и приведите маятник в исходное положение (то есть зафиксируйте его в верхнем положении

при помощи электромагнита).

9. Аналогично проведите ещё четыре замера времени падения маятника с заданной высоты. Результаты занесите в таблицу 1.

h = = Уравнение динамики вращательного движения для маятника максвелла= Таблица 1

🔥 Видео

Маятник МаксвеллаСкачать

Маятник Максвелла

ЛР 1.07 Изучение маятника МаксвеллаСкачать

ЛР 1.07 Изучение маятника Максвелла

маятник максвеллаСкачать

маятник максвелла

Вращательное движение. 10 класс.Скачать

Вращательное движение. 10 класс.

Маятник Максвелла на весах.Скачать

Маятник Максвелла на весах.

Медленный спускСкачать

Медленный спуск

ИЗУЧЕНИЕ ВРАЩАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ ТВЕРДОГО ТЕЛАСкачать

ИЗУЧЕНИЕ ВРАЩАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ ТВЕРДОГО ТЕЛА

Маятник ОбербекаСкачать

Маятник Обербека

Галилео. Эксперимент. Маятник МаксвеллаСкачать

Галилео. Эксперимент. Маятник Максвелла
Поделиться или сохранить к себе: