MOMENT SETRVAČNOSTI. Obecná část Pomocí Newtonova pohybového zákona síly můžeme odvodit pohybovou rovnici pro rotační pohyb:

Podobné dokumenty
MOMENT SETRVAČNOSTI. Obecná část Pomocí Newtonova pohybového zákona síly můžeme odvodit pohybovou rovnici pro rotační pohyb:

MĚŘENÍ MOMENTU SETRVAČNOSTI Z DOBY KYVU

MOMENT SETRVAČNOSTI 2009 Tomáš BOROVIČKA B.11

Měření momentu setrvačnosti

(3) Vypočítejte moment setrvačnosti kvádru vzhledem k zadané obecné ose rotace.

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ PRŮVODCE GB01-P03 MECHANIKA TUHÝCH TĚLES

Měření tíhového zrychlení reverzním kyvadlem

Měření tíhového zrychlení matematickým a reverzním kyvadlem

1. Změřte momenty setrvačnosti kvádru vzhledem k hlavním osám setrvačnosti.

MECHANIKA TUHÉHO TĚLESA

5. Stanovení tíhového zrychlení reverzním kyvadlem a studium gravitačního pole

Dynamika rotačního pohybu

1.1. Metoda kyvů. Tato metoda spočívá v tom, že na obvod kola do vzdálenosti l od osy

Přijímací zkouška na navazující magisterské studium Studijní program Fyzika obor Učitelství fyziky matematiky pro střední školy

2. Fyzikální kyvadlo (2.2) nebo pro homogenní tělesa. kde r je vzdálenost elementu dm, resp. dv, od osy otáčení, ρ je hustota tělesa, dv je objem

Fyzikální praktikum 1

Měření momentu setrvačnosti prstence dynamickou metodou

f (k) (x 0 ) (x x 0 ) k, x (x 0 r, x 0 + r). k! f(x) = k=1 Řada se nazývá Taylorovou řadou funkce f v bodě x 0. Přehled některých Taylorových řad.

Obsah. 2 Moment síly Dvojice sil Rozklad sil 4. 6 Rovnováha 5. 7 Kinetická energie tuhého tělesa 6. 8 Jednoduché stroje 8

FYZIKA I. Rovnoměrný, rovnoměrně zrychlený a nerovnoměrně zrychlený rotační pohyb

TÍHOVÉ ZRYCHLENÍ TEORETICKÝ ÚVOD. 9, m s.

PRAKTIKUM I Mechanika a molekulová fyzika

22. Mechanické a elektromagnetické kmity

Fyzikální praktikum č.: 1

1 Tuhé těleso a jeho pohyb

a polohovými vektory r k

3. Vypočítejte chybu, které se dopouštíte idealizací reálného kyvadla v rámci modelu kyvadla matematického.

MECHANICKÉ KMITÁNÍ NETLUMENÉ

Elektromagnetické pole je generováno elektrickými náboji a jejich pohybem. Je-li zdroj charakterizován nábojovou hustotou ( r r

Měření indukčností cívek

Pohyby tuhého tělesa Moment síly vzhledem k ose otáčení Skládání a rozkládání sil Dvojice sil, Těžiště, Rovnovážné polohy tělesa

ELEKTRICKÉ STROJE - POHONY

STANOVENÍ TÍHOVÉHO ZRYCHLENÍ REVERZNÍM KYVADLEM A STUDIUM GRAVITAČNÍHO POLE

Rovnice rovnováhy: ++ =0 x : =0 y : =0 =0,83

Příklady z teoretické mechaniky pro domácí počítání

6. Měření Youngova modulu pružnosti v tahu a ve smyku

Theory Česky (Czech Republic)

Rychlost, zrychlení, tíhové zrychlení

KMITÁNÍ PRUŽINY. Pomůcky: Postup: Jaroslav Reichl, LabQuest, sonda siloměr, těleso kmitající na pružině

Momenty setrvačnosti a deviační momenty

F - Mechanika tuhého tělesa

DYNAMIKA ROTAČNÍ POHYB

5. Pro jednu pružinu změřte závislost stupně vazby na vzdálenosti zavěšení pružiny od uložení

Mechanika tuhého tělesa

ZÁKLADY FYZIKÁLNÍCH MĚŘENÍ FJFI ČVUT V PRAZE. Úloha 5: Měření tíhového zrychlení

Laboratorní úloha č. 3 Spřažená kyvadla. Max Šauer

Řešení : Těleso T je elementárním oborem integrace vzhledem k rovině (x,y) a proto lze přímo aplikovat Fubiniovu větu pro trojný integrál.

Kinematika tuhého tělesa. Pohyb tělesa v rovině a v prostoru, posuvný a rotační pohyb

Buckinghamův Π-teorém (viz Barenblatt, Scaling, 2003)

Matematika I (KX001) Užití derivace v geometrii, ve fyzice 3. října f (x 0 ) (x x 0) Je-li f (x 0 ) = 0, tečna: x = 3, normála: y = 0

Řešíme tedy soustavu dvou rovnic o dvou neznámých. 2a + b = 3, 6a + b = 27,

7. TRANSFORMÁTORY. 7.1 Štítkové údaje. 7.2 Měření odporů vinutí. 7.3 Měření naprázdno

Stanovení kritických otáček vačkového hřídele Frotoru

Mechanika II.A Třetí domácí úkol

PRAKTIKUM I. Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK. Pracoval: Pavel Ševeček stud. skup.: F/F1X/11 dne:

Fyzika 1 - rámcové příklady Kinematika a dynamika hmotného bodu, gravitační pole

Veličiny charakterizující geometrii ploch

TUHÉ TĚLESO. Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - Fyzika - Mechanika - 1. ročník

Sestavení diferenciální a diferenční rovnice. Petr Hušek

12. VISKOZITA A POVRCHOVÉ NAPĚTÍ

3.1. Newtonovy zákony jsou základní zákony klasické (Newtonovy) mechaniky

7.3.9 Směrnicový tvar rovnice přímky

b) Maximální velikost zrychlení automobilu, nemají-li kola prokluzovat, je a = f g. Automobil se bude rozjíždět po dobu t = v 0 fg = mfgv 0

Řešení úloh 1. kola 49. ročníku fyzikální olympiády. Kategorie B

FYZIKA I. Pohyb setrvačníku. Prof. RNDr. Vilém Mádr, CSc. Prof. Ing. Libor Hlaváč, Ph.D. Doc. Ing. Irena Hlaváčová, Ph.D. Mgr. Art.

R β α. Obrázek 1: Zadání - profil složený ze třech elementárních obrazců: 1 - rovnoramenný pravoúhlý trojúhelník, 2 - čtverec, 3 - kruhová díra

POZOROVÁNÍ VLN NA VLNOSTROJI

Odhad změny rotace Země při změně poloměru

Zadání programu z předmětu Dynamika I pro posluchače kombinovaného studia v Ostravě a Uherském Brodu vyučuje Ing. Zdeněk Poruba, Ph.D.

I Mechanika a molekulová fyzika

Soustava hmotných bodů

5. Mechanika tuhého tělesa

Stanovení hustoty pevných a kapalných látek

Necht na hmotný bod působí pouze pružinová síla F 1 = ky, k > 0. Podle druhého Newtonova zákona je pohyb bodu popsán diferenciální rovnicí

Graf závislosti dráhy s na počtu kyvů n 2 pro h = 0,2 m. Graf závislosti dráhy s na počtu kyvů n 2 pro h = 0,3 m

FJFI ČVUT V PRAZE. Úloha 8: Závislost odporu termistoru na teplotě

Dvojné a trojné integrály příklad 3. x 2 y dx dy,

FYZIKA I. Pohybová rovnice. Prof. RNDr. Vilém Mádr, CSc. Prof. Ing. Libor Hlaváč, Ph.D. Doc. Ing. Irena Hlaváčová, Ph.D. Mgr. Art.

BIOMECHANIKA DYNAMIKA NEWTONOVY POHYBOVÉ ZÁKONY, VNITŘNÍ A VNĚJŠÍ SÍLY ČASOVÝ A DRÁHOVÝ ÚČINEK SÍLY

Matematika II, úroveň A ukázkový test č. 1 (2018) 1. a) Napište postačující podmínku pro diferencovatelnost funkce n-proměnných v otevřené

Hydromechanické procesy Hydrostatika

Základy fyziky + opakovaná výuka Fyziky I

1 Veličiny charakterizující geometrii ploch

Fyzikální veličiny a jednotky, přímá a nepřímá metoda měření

V i s k o z i t a N e w t o n s k ý c h k a p a l i n

Fyzikální praktikum I

Pohyb elektronu ve zkříženém elektrickém a magnetickém poli a stanovení měrného náboje elektronu

MATEMATIKA III. π π π. Program - Dvojný integrál. 1. Vypočtěte dvojrozměrné integrály v obdélníku D: ( ), (, ): 0,1, 0,3, (2 4 ), (, ) : 1,3, 1,1,

I. část - úvod. Iva Petríková

POZOROVÁNÍ VLN NA VLNOSTROJI

Laboratorní úloha č. 5 Faradayovy zákony, tíhové zrychlení

HUSTOTA PEVNÝCH LÁTEK

1. Přímka a její části

Abstrakt: Autor navazuje na svůj referát z r. 2014; pokusil se porovnat hodnoty extrémů některých slunečních cyklů s pohybem Slunce kolem barycentra

B. MECHANICKÉ KMITÁNÍ A VLNĚNÍ

1 Rozdělení mechaniky a její náplň

Mechanické kmitání - určení tíhového zrychlení kyvadlem

MATEMATIKA III. Program - Křivkový integrál

Matematika II, úroveň A ukázkový test č. 1 (2017) 1. a) Napište postačující podmínku pro diferencovatelnost funkce n-proměnných v otevřené

Fyzikální sekce přírodovědecké fakulty Masarykovy univerzity v Brně FYZIKÁLNÍ PRAKTIKUM. Fyzikální praktikum 2

Transkript:

MOMENT SETRVAČNOST Obecná část Pomocí Newtonova pohybového záona síly můžeme odvodit pohybovou rovnici pro rotační pohyb: dω M = = ε, (1) d t de M je moment vnější síly působící na těleso, ω úhlová rychlost, ε úhlové zrychlení a veličina je tzv. moment setrvačnosti tělesa vzhledem dané ose otáčení. Vyjadřuje míru setrvačnosti rotujícího tělesa, podobně jao hmotnost vyjadřuje míru setrvačnosti tělesa při posuvném pohybu. Pro tuhé těleso (tvořené soustavou hmotných bodů s neproměnnými vzdálenostmi) je dán vztahem: = i m i r i, () de m i je hmotnost i-tého hmotného bodu a r i je olmá vzdálenost tohoto bodu od osy otáčení. Moment setrvačnosti tedy závisí ja na hmotnosti tělesa, ta na rozložení této hmoty olem osy otáčení. Můžeme vytvořit systém z tělesa a zrutné pružiny, terá bude svým druhým oncem vetnuta do nepohyblivé záladny. Po vložení mechanicé energie do systému bude těleso vyonávat mitavý rotační pohyb. Při zanedbatelném tření v ložisu a v pružině bude amplituda mitů lesat velmi pomalu. Je-li závislost vratného momentu pružiny M na jejím zroucení α lineární (tj. M = α, de je onstanta pružiny), můžeme pro systém sestavit tuto jednoduchou diferenciální rovnicí: d α( t) + α( t) = 0. () dt Jejím řešením je funce: α ( t ) = α max cos( Ωt + ϕ), de Ω =. (4) Ze vztahu pro úhlovou frevenci Ω vychází pa perioda mitů: T = π. (5) Měření Vztahu (5) lze užít měření momentu setrvačnosti neznámého tělesa nebo ověření vztahu (). Stačí rozmitat systém a změřit periodu mitů. Je třeba ovšem provést oreci na vlastní moment setrvačnosti spojovací hřídely nebo podložy. Příprave pro měření je na obr. 1. Sládá se z tuhého podstavce a ploché vinuté pružiny opatřené hřídelí v uličovém ložisu. Na hřídel pa lze nasadit rovnou různá tělesa nebo nosnou podložu pomocí tvarované spojy. 1

A. Moment setrvačnosti dvou hmotných bodů Jsou-li body ve stejné vzdálenosti od osy otáčení, je jejich moment setrvačnosti: = mr. Hmotné body představují v našem měření s dostatečnou přesností malé válečy upevněné na tené tyčce, terá je uprostřed spojena s osou rotace. Po vychýlení z rovnovážné polohy (asi o 90 ) necháme systém mitat a změříme dobu mitu T pomocí stope. Ze vztahu (5) pa plyne: Obr. T π =. (6) Tato zísaný moment setrvačnosti je složen z momentu setrvačnosti oněch dvou válečů a momentu setrvačnosti spojovací tyčy 0 : = mr + 0 (7) Použitím vztahu (6) v rovnici (7) dostaneme: odud: T T0 = mr +, (8) π Obr. 1 Příprave pro měření momentu setrvačnosti 8mπ T r + π = T0. (9) Zísali jsme vztah vyjadřující přímovou závislost mezi čtvercem periody mitů T a čtvercem vzdálenosti válečů r. Měření tedy provedeme nejprve bez válečů (tím zísáme T 0 ), pa pro něoli vzdáleností válečů a vyneseme do grafu (viz obr. ). V grafu ověříme přímovost závislosti a lineární regresí zjistíme Obr.

směrnici (8mπ /) této přímy. Z ní vypočteme onstantu pružiny. Při měření je vhodné si vyznačit na stole rovnovážnou polohu (např. umístěním tužy). Aby bylo měření přesnější, měříme dobu více (např. pěti) mitů. Stopy zapínáme, dyž tyča s válečy prochází rovnovážnou polohou, a vypínáme při obdobném průchodu po proběhnutí zvoleného počtu mitů. Pracovní úol 1) Proveďte měření doby mitu pro vzdálenosti válečů: 0, 5, 0, 15, 10, 5 cm a 0 cm (tj. bez válečů). Počáteční výchylu volte přibližně 90. Pro vzdálenosti 0 až 0 cm měřte dobu 10 mitů, pro 5 a 0 cm postačí 5 mitů (oscilace jsou již pomalé). Data uveďte do vhodné tabuly. ) Zvažte válečy na digitální váze (v místnosti UC10). Stanovte chybu. ) Sestrojte graficou závislost (viz. obr. ). Podlady uveďte rovněž do tabuly. 4) Pomocí lineární regrese zjistěte směrnici a její statisticou chybu (viz. str. 18 sript Fyziální pratium) 5) Vypočtěte onstantu pružiny a její chybu (pomocí věty o přenosu chyby na str. 17 sript). Nezapomeňte uvést fyziální jednotu! B. Vliv tvaru tělesa na moment setrvačnosti Pro tělesa se spojitým rozložením hmoty musíme namísto sumy ve vztahu () použít integraci. Je-li hustota v celém objemu tělesa onstantní, dostaneme: m = r dv, (10) V de m je hmotnost tělesa, V je objem, r je vzdálenost objemového elementu dv od osy rotace. Nejjednodušším případem je dutý válec, s velmi tenou stěnou (zanedbatelnou vůči poloměru): DV = m.r. (11) V případě plného válce vede vztah (10) na výraz: R m PV = r πrhdr, de V = πr H (1) 0 Obr. 4

1 mr Vidíme, že moment setrvačnosti plného válce je o polovinu menší než moment stejně velého a těžého válce dutého, jeliož je jeho hmota rozprostřena od osy rotace až po vzdálenost R. Ještě menší hodnotu můžeme očeávat u oule: 4 K PV =. (1) R m 4πR = r πr R r dr, de V = (14) 0 mr K =. (15) 5 V tomto měření tedy ověříme, zda sutečně platí vztahy (11), (1) a (15). K dispozici máme ouli, dis (tený válec), plný válec a dutý válec. Dva posledně jmenované nelze nasadit na hřídelu přímo, je třeba použít nosné podložy, jejíž moment setrvačnosti musíme ale taé změřit a pa odečíst. Ověření vztahů lze provést např. ta, že vypočteme podíl změřeného momentu setrvačnosti a součinu změřených hodnot mr daného tělesa a porovnáme jej s podílem teoreticého vztahu (1 dutý válec, 1/ plný válec, /5 oule). Pracovní úol 1) Změřte periodu mitů pro: ouli, dis, dutý a plný válec a samotnou nosnou podložu. Měřte čtyřirát dobu deseti mitů, výslede pa zprůměrujte. ) Zvažte tělesa na digitální váze, změřte jejich průměry. ) Uveďte do tabuly hmotnosti, poloměry a naměřené doby mitů pro tělesa a nosnou podložu. 4) Z naměřených period stanovte momenty setrvačnosti těles a nosné podložy. Pro výpočet použijte onstantu pružiny zísanou v úolu A. U těles de byla použita nosná podloža nezapomeňte odečíst její moment setrvačnosti. 5) Naměřené momenty setrvačnosti uveďte do další tabuly spolu se změřenými a teoreticými hodnotami podílů /mr. Podíly porovnejte. C. Steinerova věta Neprochází-li osa rotace tělesa jeho těžištěm, výpočet podle vztahu () a (10) se neúměrně ompliuje. Poud vša známe h moment setrvačnosti tělesa T ose, terá T prochází jeho těžištěm a je zároveň rovnoběžná s osou rotace, pa můžeme s výhodou použít Steinerovu větu: = T + mh, (16) osa rotace Obr. 5 Steinerova věta m osa těžišťová de h je vzdálenost obou os a m je hmotnost tělesa. V tomto úolu budeme měřit závislost momentu setrvačnosti plochého ruhového disu na

vzdálenosti h osy rotace od osy symetrie (viz obr. 6). Dis je vybaven řadou otvorů, do nichž se šroubuje spoja nasazení na hřídel přípravu. Do grafu pa Obr. 6 Uspořádání při měření Steinerovy věty vyneseme závislost změřeného momentu setrvačnosti na vadrátu vzdálenosti os h. Závislost by měla být přímová se směrnicí rovnou hmotnosti disu. Tím ověříme platnost vztahu (16). Pracovní úol 1) Změřte dobu pěti mitů disu pro hodnoty vyosení h = 0 až 16 cm s roem cm (tedy celem 9 hodnot). ) Zvažte dis (bez spojy) na digitální váze. ) Z dob mitů vypočtěte (doma) příslušné momenty setrvačnosti. Pro výpočet použijte onstantu pružiny zísanou v úolu A. 4) Naměřené a vypočtené hodnoty uveďte do vhodné tabuly, též uveďte vadráty vzdáleností h. 5) Sestrojte výše v textu popsanou graficou závislost, pomocí lineární regrese zjistěte směrnici a porovnejte ji s hmotností disu. 5