Изучение законов динамики и кинематики поступательного движения на машине атвуда
![]()
|
Моментом импульса (количества движения) материальной точки А относительно неподвижной точки О называется физическая величина, определяемая векторным произведением: ![]() ![]() где ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Модуль вектора момента импульса ![]() где α – угол между векторами ![]() ![]() ![]() При вращении абсолютно твердого тела вокруг неподвижной оси каждая отдельная точка тела движется по окружности постоянного радиуса ri с некоторой скоростью ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() и направлен по оси в сторону, определяемую правилом правого винта. Момент импульса твердого тела относительно оси есть сумма моментов импульсов отдельных частиц: ![]() Используя формулу ![]() ![]() то есть ![]() Таким образом, момент импульса твердого тела относительно оси равен произведению момента инерции тела относительно той же оси на угловую скорость. Продифференцируем уравнение ![]() ![]() то есть ![]() Это выражение – еще одна форма уравнения динамики вращательного движения твердого тела относительно неподвижной оси: производная момента импульса твердого тела относительно оси равна моменту сил относительно той же оси. Скорость изменения момента импульса тела равна результирующему моменту всех внешних сил. Можно показать, что имеет место векторное равенство ![]() В замкнутой системе момент внешних сил ![]() ![]() ![]() Это выражение представляет собой закон сохранения момента импульса: момент импульса замкнутой системы сохраняется, то есть не изменяется с течением времени. Закон сохранения момента импульса – фундаментальный закон природы. Он связан со свойством симметрии пространства – его изотропностью, то есть инвариантностью физических законов относительно выбора направления осей координат системы отсчета (относительно поворота замкнутой системы в пространстве на любой угол). Продемонстрировать закон сохранения момента импульса можно с помощью скамьи Жуковского. Пусть человек, сидящий на скамье, которая без трения вращается вокруг вертикальной оси, и держащий в вытянутых руках гантели, приведен во вращение с угловой скоростью ω1. Если человек прижмет гантели к себе, то момент инерции уменьшится. Поскольку момент внешних сил равен нулю, момент импульса системы сохраняется и угловая скорость вращения ω2 возрастает. Аналогичной, гимнаст во время прыжка через голову поджимает к туловищу руки и ноги, чтобы уменьшить свой момент инерции и увеличить тем самым угловую скорость вращения. Сопоставим основные величины и уравнения, определяющие вращение тела вокруг неподвижной оси и его поступательное движение.
Описание лабораторной работы 104 ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОВ ДИНАМИКИ И КИНЕМАТИКИ ПОСТУПАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ НА МАШИНЕ АТВУДА Цель работы: проверка второго закона Ньютона и уравнений равноускоренного прямолинейного движения. Приборы и принадлежности: автоматизированная машине Атвуда с грузами, снабженная фотоэлектрическими датчиками положения грузов, пусковым устройством, электронным секундомером; набор добавочных грузов. Описание установки. Основные законы движения и кинематики поступательного движения могут быть проверены на машине Атвуда (рис. 1) Она состоит из вертикальной колонки 1 с миллиметровой шкалой. На верхнем конце установлен легкий блок 2, способный вращаться с малым трением. Через блок перекинута легкая нить с грузами Г1и Г2. Основание прибора опирается на регулируемые ножки 3, позволяющие установить колонку в вертикальное положение. Для определения положения грузов в разные моменты движения на колонку надеты три кронштейна с указателем шкалы. Верхний кронштейн К1 имеет дополнительную метку (черту) для согласования положения верхнего груза Г2. Нижний неподвижный кронштейн К3 снабжен амортизирующей подставкой, останавливающей движение грузов на конце пути. Верхний и средний кронштейны можно перемещать вдоль колонки и фиксировать зажимом в любом положении, задавая таким образом длину пути грузов. Время движения определяется по электронному секундомеру С. Для этого на кронштейнах К2 и К3 установлены фотоэлектрические датчики ФД положения, сигналами от которых запускается или останавливается секундомер. Блок 2 соединен с пусковым устройством, позволяющим удерживать грузы в начальном положении, запускать движение и останавливать их после пересечения грузом Г2 светового луча одного их ФД. Секундомер имеет кнопки «СЕТЬ», «ПУСК», «СБРОС» и справа тумблер Т переключения фотодатчика. Кнопка "СЕТЬ" при нажатии включает установку в электрическую сеть, "СБРОС" – убирает показания секундомера. При отжатом положении кнопки "ПУСК" блок с грузами удерживается пусковым устройством в начальном положении. С нажатием кнопки "ПУСК" блок освобождается и начинается поступательное движение грузов. В зависимости от положения тумблера Т секундомер отсчитывает время движения груза Г2 либо между метками верхнего К1 и среднего К2 кронштейнов (положение тумблера Т – вверх), либо между метками среднего К2 и нижнего К3 кронштейнов (тумблер Т – вниз). Грузы Г1 и Г2 имеют одинаковую массу ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() где ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Определим силу трения, приложенную к нити, ![]() и, решив совместно уравнения (I) и (2), получим ![]() В этой формуле числитель представляет собой ускоряющую силу ![]() Поскольку сила трения в ходе опытов остается постоянной, то при условии ![]() ![]() ![]() Формула. (3) представляет собой второй закон Ньютона для движения грузов на блоке. Проверить справедливость формулы можно, изучив зависимость между ускорением ![]() ![]() ![]() График зависимости ![]() Упражнение I. Проверка второго закона Ньютона Проверка состоит в установлении пропорциональности между ускорением ![]() ![]() ![]() ![]() Необходимо выполнить работу в следующей последовательности: 1. Проверить нормальное положение колонки I. Груз Г2 при вертикальном перемещении должен свободно проходить сквозь кольцевую подставку КП. Положение прибора можно выровнять регулируемыми ножками 3. 2. Включить установку в сеть 220В и нажать кнопку "СЕТЬ". При этом загорятся лампочки фотоэлектрических датчиков, и на табло секундомера появятся цифры. 3. Освободить блок с грузами от пускового устройства и очистить табло секундомера, последовательно нажимая кнопки "ПУСК" и ''СБРОС. 4. Привести систему грузов в начальное положение. Для этого левый груз Г1 опустить вниз до упора на подставку и отжатием кнопки "ПУСК" зафиксировать блок. 5. Задать путь равноускоренного движения грузов. Для этого верхний кронштейн К1, освободив от зажима, подвести под нижнюю кромку правого груза Г2 по метке и закрепить в этом положении. Средний кронштейн К2 установить на расстоянии ![]() 6. Установить величину перегрузки ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() 7. Определить время равноускоренного движения грузов. Тумблер Т с правой стороны секундомера поставить в крайнее верхнее положение (тумблер имеет три позиции) и нажать кнопку "ПУСК". При этом вся система грузов приходит в равноускоренное движение. После прохождения грузом Г2 заданного пути ![]() ![]() ![]() 8. Проделать опыты по пунктам 3, 4, 6 и 7 с перегрузкам ![]() ![]() 9. Для каждой перегрузки по средним значениям времени движения по одному и тому же пути ![]() ![]() 10. Составить график зависимости ![]() ![]() ![]() ![]() Упражнение 2. Изучение законов равноускоренного прямолинейного движения Проверка уравнений равноускоренного движения, закона пути ![]() ![]() ![]() ![]() Работу необходимо выполнить в следующей последовательности: 1. Выполнить пункты 1–4 из упражнения 1. 2. Задать путь равноускоренного движения грузов. Для этого средний кронштейн К2 установить на расстоянии ![]() 3. Установить величину перегрузки ![]() ![]() 4. Определить время ![]() ![]() ![]() ![]() 5. Определить время ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() 6. Проделать пункты 3-5 настоящего упражнения, установив средний кронштейн К2 на расстоянии ![]() 7. По средним значениям времени равноускоренного движения грузов вычислить отношения ![]() ![]() Убедиться в том, что ![]() 8. По средним значениям времени движения грузов вычислить скорость равномерного движения ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Убедиться, в том, что ![]() |