sprawozdanie nr 73.doc

Mariola Wiśniewska

Zbigniew Zaleski

GiSN    Grupa 3   para nr 9

Sprawozdanie nr 1

Temat:

         Wyznaczenie momentu bezwładności metodą koincydencji drgań wahadeł – fizycznego i matematycznego.

Moment bezwładności punktu materialnego jest iloczynem jego masy i kwadratu odległości od osi obrotu:

Moment bezwładności ciała składającego się z punktów materialnych jest sumą momentów punktów ciała:

gdzie:

·         m - masa punktu;

·         r - odległość punktu od osi obrotu.

Moment bezwładności ciała zależy od wyboru osi obrotu, od kształtu ciała i od rozmieszczenia masy w ciele. Moment bezwładności ma wymiar ML2. Zwykle mierzy się go w kg·m².

Zjawiska, prawa i zasady związane z doświadczeniem:

Koincydencja – jednoczesne zejście się dwóch lub więcej zjawisk w charakterystycznych fazach tych zjawisk. W ćwiczeniu istotna jest koincydencja amplitud dwóch wahadeł: matematycznego i fizycznego.

Amplituda – nieujemna wartość określająca wielkość przebiegu funkcji okresowej. Amplituda A w przebiegach sinusoidalnych jest maksymalną wartością tego przebiegu.

Ruch harmoniczny - drgania opisane funkcją sinusoidalną (harmoniczną). Jest to najprostszy w opisie matematycznym rodzaj drgań.

Ruch harmoniczny jest często spotykanym rodzajem drgań, również wiele rodzajów bardziej złożonych drgań może być opisane jako w przybliżeniu harmoniczne. Każde drganie można przedstawić jako sumę drgań harmonicznych. Ruch taki występuje wtedy, gdy przyspieszenie, siła mają wartość proporcjonalną do wychylenia.

Ruch harmoniczny tłumiony występuje wtedy, gdy na ciało działa dodatkowo siła oporu ośrodka proporcjonalna do prędkości. Z reguły w drganiach mechanicznych zawsze, siła sprężysta nie jest jedyną siłą występującą w tym ruchu. Towarzyszy jej zawsze siła utrudniająca ten ruch zwana siłą tłumiącą. Drgania zaś występujące w takich okolicznościach nazywamy drganiami harmonicznymi tłumionymi. Dynamikę ruchu harmonicznego zapisujemy określonymi wzorami w zależności od tego jaka siła tłumiąca działa na nasz układ wykorzystując przy tym drugą zasadę dynamiki Newtona.

Drgania - procesy, w trakcie których wielkości fizyczne na przemian rosną i maleją w czasie.

Szczególnymi rodzajami drgań rozpatrywanymi w fizyce są:

1. drgania mechaniczne (ruch drgający): wahadło matematyczne, ciało na sprężynie, wahadło fizyczne, drgania cząsteczek sieci krystalicznych, drgania strun instrumentów muzycznych, drgania powietrza.
2. drgania elektryczne
3. drgania elektromechaniczne

Bez względu na drgającą wielkość stosuje się podział ruchu drgającego ze względu na własności matematyczne funkcji opisującej drgania lub co jest równoważne na równania opisujące zachowanie się układu drgającego. Wyróżnia się:

1. drgania okresowe
2. nieokresowe

Wśród drgań okresowych wyróżnia się często spotykany i najprostszy w opisie matematycznym ruch harmoniczny, a w drganiach nieokresowych drgania prawie okresowe.

W zależności od rodzaju równań drgań wyróżnia się drgania liniowe i drgania nieliniowe.

Jeżeli na drgający układ ma wpływ inny drgający układ (siła wymuszająca) to drgania nazywa się wymuszonymi, gdy siła nie występuje drganiami swobodnymi. Układy autonomiczne (nie wymuszone) dzieli się na:

1. zachowawcze (energia drgań nie zmienia się)
2. tłumione (energia zmniejsza się)
3. samowzbudne (energia drgań rośnie)

Szczególnym przypadkiem drgań są drgania harmoniczne. Takie drgania powstają, gdy siła sprowadzająca układ drgający do położenia równowagi jest proporcjonalna do wychylenia układu z tego położenia. Drgania, które występują w naszym doświadczeniu to drgania harmoniczne tłumione.

Druga zasada dynamiki Newtona:

Jeśli siły działające na ciało nie równoważą się (czyli siła wypadkowa  jest różna od zera), to ciało porusza się z przyspieszeniem wprost proporcjonalnym do siły wypadkowej.

Okres - czas wykonania jednego pełnego drgania w ruchu drgającym, czyli czas pomiędzy wystąpieniami tej samej fazy ruchu drgającego. Okres fali równy jest okresowi rozchodzących się drgań. Okres dotyczyć może również innych zjawisk fizycznych (np. prądu przemiennego), które mają charakter oscylacji (powtarzających się zmian jakiejś wielkości). W takim najogólniejszym znaczeniu, okresem nazywamy najmniejszy czas potrzebny na powtórzenie się wzoru oscylacji.

        gdzie: f - częstotliwość,

       gdzie: ω - pulsacja (częstość kołowa).

         gdzie: λ - długość fali,

                                 v - prędkość rozchodzenia się fali.

Okresy, które wyróżniamy w naszym doświadczeniu to okres drgań wahadła matematycznego oraz okres drgań wahadła fizycznego. Zależnie od tego, które wahadło porusza się szybciej (którego okres drgań jest mniejszy) taki wzór stosujemy (patrz wyprowadzenia wzorów).

Wyprowadzenia wzorów roboczych:

Na odchylone o kąt α wahadło działa moment siły:

M = P x

Nadając mu przyspieszenie kątowe:

gdzie:

e - przyspieszenie kątowe

I – moment bezwładności wahadła fizycznego względem osi obrotu O.

              Po podstawieniu powyższych wzorów otrzymamy:

gdzie:

x – wychylenie środka ciężkości S od położenia równowagi

Przyspieszenie liniowe a punktu S wynosi:

a = e d stąd

Po podstawieniu do wzoru otrzymamy:

Rozpatrywany ruch jest zatem ruchem harmonicznym, w którym

|a| = |-w2x|

              Powyższy wzór byłby słuszny, gdyby ruch punktu S odbywał się wzdłuż odcinka x, a nie jak w rzeczywistości wzdłuż łuku ł. Dla małych kątów odchyleń (a) wahadła długość łuku w przybliżeniu równa się długości odcinka x. Przy założeniu, że we wzorze   x jest wychyleniem, rozpatrywany ruch można rzeczywiście uważać za harmoniczny, zatem i ten wzór za prawidłowy.

              Podstawiając  |a| = |-w2x| do , otrzymamy:

Stąd

Lub

Stąd

Iloczyn Pd lub mgd oznaczamy literą D i nazywamy momentem kierującym.

Powyższy wzór na okres wahań rozpatrywanego wahadła fizycznego grawitacyjnego stosuje się także do innych wahadeł fizycznych, np. sprężynowych torsyjnych. Moment kierujący D nie będzie wtedy iloczynem mgd, lecz wyrazi się przez inne siły, np. przez siłę sprężystości –kx. Wzór jest zatem wzorem ogólnym wahadeł fizycznych, a wzór wzorem wahadła grawitacyjnego, w tym wahadła matematycznego, w którym cała masa jest skupiona w punkcie S. Moment bezwładności wahadła matematycznego względem punktu 0 wynosi więc:

I=md2

Po podstawieniu I=md2 do mamy znany wzór na okres wahadła matematycznego:

Gdzie:

d = l długość wahadła matematycznego.

              Dalej będą rozpatrywane oba wahadła jednocześnie, dlatego przy odpowiednich symbolach stawiamy indeksy f – fizyczne lub m – matematyczne

Tak więc:

Gdzie:

m - masa wahadła,

g - przyspieszenie ziemskie,

d - odległość środka ciężkości wahadła od osi obrotu,

I - moment bezwładności wahadła

              Szczególnym przypadkiem wahadła fizycznego jest wahadło matematyczne. Jego okres drgań wyraża się wzorem:

Gdzie:

lm – długość wahadła matematycznego.

Porównując wzory i widzimy, że taką samą rolę jak lm we wzorze odgrywa wyrażenie:

We wzorze . Nazywamy je długością zredukowaną wahadła fizycznego:

Wzór ten jest definicją długości zredukowanej.

              Jeżeli do danego wahadła fizycznego dopasujemy takie wahadło matematyczne, które miałoby taki sam okres:

Tm = Tf

to , czyli długość zredukowana lf, będzie równa długości wahadła matematycznego lm:

lf  = lm

              Różnica liczby drgań obu wahadeł między dwiema koincydencjami jest równa jedności.

              Przypuśćmy, że wahadło matematyczne porusza się wolniej, a ściślej, ma dłuższy okres Tm > Tf niż wahadło fizyczne, wtedy na n drgań wahadła fizycznego przypada n-1 drgań wahadła matematycznego. Jeżeli przez t oznaczamy czas między dwiema kolejnymi koincydencjami, to okresy drgań wahadeł będą wynosiły odpowiednio:

;             

Podstawiając powyższe wartości Tf i Tm do wzorów na okres każdego z wahadeł mamy:

;                           

Lub

;             

Zatem

Stąd

              Gdy Tf > Tm, to przy tych samych oznaczeniach mamy:

;             

Oraz

Długość zredukowaną wahadła fizycznego określimy więc ogólnym wzorem:

Plus – w przypadku Tf > Tm,

Minus – w przypadku Tm > Tf

Po wyznaczeniu lf możemy ze wzoru wyznaczyć moment bezwładności wahadła.

I = lfmd

Opis przebiegu doświadczenia:

1.      Ustalić długość wahadła matematycznego, tak aby okresy drgań wahadeł fizycznego i matematycznego były zbliżone.

2.      Zmierzyć długość wahadła matematycznego l = l` + 0,5 D, gdzie l` długość nici mierzona przymiarem milimetrowym, oraz D- średnica kilki (mierzona suwmiarką).

3.      Uruchomić oba wahadła i policzyć liczbę drgań n wahadła fizycznego w czasie t  między dwiema kolejnymi koincydencjami- liczba ta nie powinna być mniejsza od 30. Liczenie powtórzyć kilka razy.

4.      Pomiary 2 i 3 powtórzyć dla co najmniej trzech różnych długości wahadła matematycznego.

5.      Dla każdej długości wahadła matematycznego obliczyć lf. Obliczyć wartość średnia lf.

6.      Zdjąć wahadło fizyczne. Położyć je na krawędzi (stół, krzesło), podpierając je tak, aby było w równowadze. W ten sposób znajduje się środek ciężkości S.

7.      Zmierzyć długość wahadła fizycznego od punktu zaczepu do punktu S.

8.      Obliczyć moment bezwładności wahadła względem osi obrotu względem osi obrotu.

9.      Ocenić niepewność pomiarów.