Теорема Штейнера

Автор: Пользователь скрыл имя, 02 Марта 2013 в 17:36, лабораторная работа

Описание работы

Цель работы – измерить моменты инерции различных тел. Проверить теорему Штейнера.
Краткое теоретическое содержание:
а) Явление, изучаемое в работе – момент инерции;
б) Определение основных физических понятий, объектов, процессов и величин:
Момент инерции тела – это мера инертности тела при вращательном движении.
Момент инерции тела является мерой инертности тела при вращательном движении, подобно тому, как масса тела является мерой инертности тела при поступательном движении.

Работа содержит 1 файл

штейнера.doc

— 185.00 Кб (Скачать)

Министерство образования и  науки Российской Федерации

Государственное образовательное  учреждение высшего профессионального  образования

Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»

Кафедра физики

 

 

 

 

 

 

 

Лабораторная работа №5

 

«МОМЕНТ ИНЕРЦИИ РАЗЛИЧНЫХ ТЕЛ. ТЕОРЕМА ШТЕЙНЕРА»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил:  студент  гр. ИТУ-12                           ___________                                       

                                                                                                                                (подпись)                                                                                      (Ф.И.О.)  

ПРОВЕРИЛ:  Аспирант                         _________                                 

                                                                                                                             (подпись)                                                                                         (Ф.И.О.)

 

 

Санкт-Петербург

2012

 

  1. Цель работы – измерить моменты инерции различных тел. Проверить теорему Штейнера.
  2. Краткое теоретическое содержание:

а) Явление, изучаемое в работе – момент инерции;

б) Определение основных физических понятий, объектов, процессов и величин:

Момент инерции тела – это мера инертности тела при вращательном движении.

Момент инерции тела является мерой  инертности тела при вращательном движении, подобно тому, как масса тела является мерой инертности тела при поступательном движении.

Вращательное  движение  — движение, при котором все точки тела движутся по окружности, центры которых лежат на оси вращения.

Период колебаний - минимальный интервал времени, через который происходит повторение движения тела.

Момент силы относительно точки – вектор, модуль которого равен произведению силы на плечо.

Момент силы относительно оси – проекция момента силы относительно точки на данную ось. Характеризует способность силы вращать тело.

      в) законы и соотношения (использованные при выводе расчетной формулы):

Момент инерции твердого тела:

, г – расстояние от оси  вращения до груза, [r] , m- масса тела, [m]= , плотность тела , V- объем тела

Из теории крутильных колебаний  следует формула для расчета периода колебаний:

, где J- момент инерции тела , T – период колебаний , D – модуль кручения пружины

 Согласно формулы момента  силы:

  = , М-  модуль момента силы; I=F*r*sinα, , F- равнодействующая силы , r - плечо, , где модуль r численно равен L- длине плеча.

      г) пояснения к физическим величинам, входящим в формулы, и единицы их измерений:

           I – момент инерции, [кг∙м2]

I0 – момент инерции относительно оси ОО, [кг*м2]

m – масса тела, [кг]

d – расстояние между осями, [м]

l – длина стержня, [м]

R – радиус, [м]

F – сила, [Н]

l – плечо силы (расстояние от оси вращения до места приложения силы), [м]

М – момент силы, [Н*м]

j - угол закручивания пружины,  [рад]

Т – период колебаний  системы, [с]

            D– модуль кручения

  1. Основные расчетные формулы:

В данной работе для вычисления момента инерции используются формулы для частных случаев.

1. Момент инерции материальной  точки массой m , находящейся на расстоянии R от оси вращения:

       

2. Момент инерции однородного  диска относительно оси, перпендикулярной к плоскости диска и проходящей через его центр:

     

Эта же формула справедлива для  момента инерции сплошного цилиндра относительно оси совпадающей с осью цилиндра.

3. Момент инерции полого  цилиндра с внутренним радиусом R1 и внешним радиусом R2 относительно оси , совпадающей с осью цилиндра:

     

4. Момент инерции шара радиуса  R относительно оси проходящей через его центр:

      

5. Момент инерции тонкого  стержня относительно оси перпендикулярной  к стержню и проходящей через его середину:

 

6.   Момент силы :   

M=Dj

7.   Момент инерции (экспериментальный):  

      

4. Таблицы.

 Таблица 1. «Вычисление модуля кручения D пружины».

φ, (рад.)

F, (H)

L, (м)

М, (Н*м)

π/2

0,6

0,03

0,018

π

1,3

0,03

0,039

3π/2

1,7

0,03

0,051

2 π

2,9

0,03

0,087


 

M=F*L;

M(π/2)=0.6H*0.03м=0,018Н*м;

М(π)=1,3Н*0,03м=0,039Н*м;

М(3π/2)=1,7Н*0,03м=0,051Н*м;

М(2π)=2,9.Н*0,03м=0,087Н*м.

График зависимости M=f(φ):


Тангенс угла наклона  численно равен модулю кручения пружины

«Определение периода колебаний системы с исследуемым телом»

 

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

T

1,204

2,230

1,005

1,997

1,788

1,545

1,703

1,768

1,209

1,863


 

∆T= (1,204+2,230+1,005+1,997+1,788+1,545+1,703+1,768+1,209+1,863)/10 ≈ 1,6312

 

Таблица 2. «Изучение зависимости момента инерции от расстояния масс от оси вращения».

 

r , (м)

0,05

0,07

0,09

0,11

0,13

0,15

r2, (м2)

0,0025

0,0049

0,0081

0,0121

0,0169

0,0225

T, (с)

1,521

1,686

1,932

2,243

3,062

3,148

J, (кг*м2)

0,058

0,073

0,095

0,129

0,24

0,254


 

 ;

 

  1. J=(1.521) 2*1/4*(3.14) 2=0.058
  2. J=(1.686) 2*1/4*(3.14) 2=0.073
  3. J=(1.932) 2*1/4*(3.14) 2=0.069
  4. J=(2.243) 2*1/4*(3.14) 2=0.129
  5. J=(3.062) 2*1/4*(3.14) 2=0.24
  6. J=(3.148) 2*1/4*(3.14) 2=0.254

 

График зависимости J=f(r2)



 


 

 



 

 

 

 

 

 






 






 

 

 


Результаты опыта показали, что с увеличением массы тела и расстояния от оси, происходит увеличение значения момента инерции.

Таблица3. «Определение моментов инерции различных тел относительно оси, проходящей через центр симметрии».

 

Предмет

r,(м)

r2, (м2)

T

 J,(кг·м2)(эксп)

m,(кг)

J, (кг·м2) (теор)

Полый цилиндр

0,05

0,0025

1,264

0,000405

0,351

0,0008264

Сплошной цилиндр

0,048

0,0023

0,958

0,0002327

0,353

0,000406

Диск

0,11

0,012

1,722

0,0007518

0,265

0,00160325

Шар

0,0625

0,004

1,635

0,000677

0,651

0,0010171875




 

 ≈ 0,0007

А) Экспериментальное:

; D=M/(π/2)=0.018*2/3.14=0.01

 

  1. J=(1.264) 2*0.01/4*(3.14) 2=0.000405
  2. J=(0.958) 2*0.01/4*(3.14) 2=0.0002327
  3. J=(1.722) 2*0.01/4*(3.14) 2=0.0007518
  4. J=(1.635) 2*0.01/4*(3.14) 2=0.000677

 

Б) Теоретическое:

 

Полый цилиндр:

=1/2*0,351*(0,0472+0,052)=0,0008264±0,0007

Сплошной цилиндр:

=(0,353*0,002304)/2=0,000406±0,0007

Диск:

=0,265*0,112/2=0,00160325±0,0007

Шар:

=2/5*0,651*0,06252=0,0010171875±0,0007

 

  «Проверка теоремы Штейнера». 

 

J0 = = (2,806) 2*0.01/4*(3.14) 2 ≈ 0.00199 кг*м2

J (теор.) = J0 + md2 = ( ml2 / 12 ) + md2 = ( ( 0.132 * 0.32 ) / 12 ) + 0.132*0.025 = 4.29 * 10-3 кг*м2

J(экспер.) = (1,63122 * 0.01) / (4 * 3.142) ) = 6,65 * 10-3 кг*м2

 

5. Абсолютные погрешности прямых измерений.

 

 Динамометра           

 Измерительного прибора

 Секундомера

 Угла отклонения

 D= =0,018/(П/2)=0.01

 

6.  Вывод: согласно проведенному анализу при измерении момента инерции различных тел и проверки теоремы Штейнера можно использовать метод крутильных колебаний.

Одной из целей в лабораторной работе была проверка теоремы Штейнера. Однако, согласно моим расчетам, теоретическое  значение (вычисленное по формуле  Штейнера) отличается от практического  значения (вычисленное экспериментальным путем), более чем в 2 раза. Объяснить это можно прежде всего неточностью оборудования.


Информация о работе Теорема Штейнера