Визначення кутової швидкості маятника

Відповідно до закону збереження енергії, при повороті кінетична енергія обертального руху маятника Jм  2/2 переходить в потенційну енергію, рівну роботі A з закручування сталевого дроту. На підставі закону Гука пружний момент дроту пропорційний куту повороту  маятника:

де D - коефіцієнт пропорційності, званий модулем кручення.

Знак «мінус» вказує на те, що пружний момент дроту спрямований в бік, протилежний позитивному відхиленню маятника.

Елементарна робота проти сил пружності з закручування дроту на кут d  дорівнює:

Проинтегрировав цей вислів в межах від  = 0 до  = max. отримаємо:

Тоді, прирівнюючи максимальну кінетичну енергію маятника (при досягненні максимальної швидкості ) і його максимальну потенційну енергію (в момент максимального кута закручування ), маємо:

або після перетворень:

Другий закон Ньютона для обертального руху балістичного маятника, можна написати у вигляді:

де ε = d 2  / dt 2 - кутове прискорення маятника.

Так як при попаданні кулі маятник почне здійснювати коливання під дією пружного моменту дроту, то, з огляду на (4), можна написати:

Вирішивши це рівняння, отримаємо вираз для періоду коливань Т1:

Підставивши в цей вираз (8), отримаємо:

Отже, ми знайшли кутову швидкість маятника.

Визначення моменту інерції маятника

Якщо ми змінимо момент інерції маятника, змінивши відстань між вантажами, то для нового положення вантажів період коливань запишеться у вигляді:

Тоді, з (11) і (14) слід:

А оскільки, відповідно до теореми Штейнера,

де m - маса вантажів, то, підставляючи це співвідношення в (11) і (14), отримаємо для вантажів на відстані R1 і R2 відповідно:

Вирішуючи систему цих двох рівнянь щодо J0. отримуємо вираз для моменту інерції хрестовини маятника:

Підставивши цей вираз в рівняння (16) для i = 1 і 2, отримаємо:

Тепер, підставивши в рівняння (2) знайдені значення кутової швидкості і моменту інерції отримаємо остаточний вираз для обчислення швидкості кулі:

Порядок виконання роботи:

Натиснути клавішу «мережу» секундоміра і прогріти установку 5 хв.

Встановити ризику на одного з мішеней маятника проти нульового розподілу шкали, для чого послабити гвинт в нижньому кронштейні і розгорнути підвіс в потрібному напрямку, затягнути гвинт.

Максимально розсунути циліндри на стрижні 1, виміряти величину R1. тобто відстань між віссю маятника і серединою одного з циліндрів (рис. 1) і записати в таблицю.

Включити і поставити на нуль секундомір, натиснувши клавішу «скидання».

Відвести маятник на кут 15 - 20 O. Відпустивши маятник, натиснути кнопку «пуск» і переконатися, що прилад фіксує число і час коливань маятника.

Зарядити пусковий пристрій, для чого одну з його рухомих ручок повернути вгору і вкласти кулю, потім повернути цю ручку в початкове положення. Потягнути обидві рухливі ручки на себе до клацання.

Закласти кулю в стріляючий пристрій. Переконавшись, що маятник перебувати в стані спокою, зробити «постріл», для чого одну з рухомих ручок опустити вниз. Куля застрягне в пластилінової мішені і повідомить маятнику початковий момент імпульсу, в результаті чого маятник відхилиться від положення рівноваги.

Змінити максимальний кут відхилення max. і перевести його в радіани, враховуючи, що 1 O = 0,0175 радіан.

Лінійкою виміряти відстань l від осі до точки влучення кулі. Значення max і l занести в таблицю.

Провести 5-10 пострілів і визначити середні значення кута відхилення маятника і відстані від осі до точки влучення кулі.

Для визначення періоду коливань маятника відхилити (рукою) маятник на кут, визначений в п. 8, після чого відпустити маятник і одночасно натиснути «пуск» секундоміра.

За допомогою вбудованого в прилад секундоміра ФМП-14 виміряти час t1 декількох коливань і обчислити період за формулою

де n1 - число коливань, яке визначається за допомогою індикатора. Зупиняється секундомір клавішею «стоп». Показання секундоміра занести в таблицю. Вимірювання провести не менше 5 разів і визначити середні значення періоду коливань.

Зменшити момент інерції маятника, максимально зближує вантажі і виміряти величину R2 - відстань між віссю маятника і серединою одного з циліндрів. Записати значення R2 в таблицю.

Повторити операції 11 і 12 при новому положенні вантажів. Результати вимірювань t2. n2 і T2 занести в таблицю.

Визначити за формулою (22) швидкість кулі.

Оцінити похибку вимірювань.