Учебный прибор по динамике свободно вращающейся системы тел

254231

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советеиив

Социалистичесиих

Рвслу4лии

Зависимое от авт. свидетельства М

Кл. 42п, 11/01

Заявлено 23.11.1968 (№ 1222937/28-12) с присоединением заявки М

Приоритет

Опубликовано 07.Х.1969. Бюллетень № 31

Дата опубликования описания 11.III.1970

МПК С 01Ь

УДК 531.3(0.08) Комитет ао делам изо4ретений и открытий ври Совете Министров

СССР

Автор изобретения

Ш. Г. Лившиц

Заявитель

УЧЕБНЫЙ ПРИБОР ПО ДИНАМИКЕ СВОБОДНО

ВРАЩАЮЩЕЙСЯ СИСТЕМЫ ТЕЛ

Предлагается учебный прибор для изучения закона динамики свободно вращающейся системы тел Прибор облегчает усвоение изучаемых явлений и закономерностей и позволяет учитывать на неподвижных шкалах величину угловой скорости вращения системы тел и расстояния вращающегося тела от оси вращения; наблюдать по показаниям неподвижного динамометра величину центростремительных сил, действующих на вращающиеся тела; производить опытную проверку законов вращательного движения тел и закона сохранения суммы моментов количеств движения (суммарного вращательного момента) свободно вращающейся системы тел при переходе ее из одного состояния в другое, а также измерять совершаемую работу при переходе системы свободно вращающихся тел из одного состояния в другое с опытной проверкой закона сохранения энергии.

Для этого он выполнен в виде штанги со свободно надетыми на ее концах сменными грузами. Штанга укреплена так, что она может поворачиваться на перпендикулярном к ней градуированном стержне, скользящем во втулке, устанавливаемой неподвижно на штативе. При этом грузы штанги с помощью хомутиков и гибких лент, перекинутых через ролики, соединены с поворотным крючком для подвешивания прибора к неподвижному динамометру, а стержень имеет на конце крючок для подвешивания гирь.

На фиг. 1 изображен предлагаемый прибор, общий вид; на фиг. 2 — сменный груз.

Прибор выполнен в виде горизонтально расположенной штанги 1, несущей сменные подвижные грузы 2 и с помощью подшипников укрепленной поворотно на перпендикулярном к ней составном осевом стержне 8. Последний

10 в нижней части снабжен крючком 4 и может скользить вдоль оси во втулке 5, устанавливаемой неподвижно на штативе или закрепляемой винтом б.

Вдоль стержня 8 нанесены деления: одна

1 шкала проградуирована в единицах длины, другая шкала — в единицах угловой скорости.

Длина стержня составляет приблизительно половину длины штанги 1.

Сменные грузы 2 с помощью хомутиков 7 и гибких лент 8, перекинутых через ролики 9, подвешенного на подшипнике крючка 10 соединены с поворотным вокруг вертикальной оси крючком Il для подвешивания прибора на подвижном динамометре.

25 Работает прибор следующим образом.

Втулку 5 закрепляют винтом б на нижнем конце стержня 8 и вместе с прибором устанавливают ее неподвижно в штативе в вертикальном положении на высоте, превышающей

30 длину стержня 3.

254231

При расположенных на концах штанги 1 грузах 2, как показано на фиг. 1, прибор подвешивают на неподвижно укрепленном динамометре за крючок 11. Штанге с грузом сообщают вращательный импульс и освобождают винт б. При этом стержень вместе с прибором сместится на некоторое расстояние вниз относительно втулки. На такое же расстояние сместятся к оси вращения прибора грузы, и прибор установится в уравновешенном состоянии.

Равенство указанных смещений позволяет нанести на невращающемся и устанавливающемся в уравновешенном состоянии стержне 8 деления, проградуированные в расстояниях центров вращающихся грузов от оси вращения.

Если повторять опыт несколько раз при разных угловых скоростях, то наблюдают устанавливающиеся положения грузов на вращающейся штанге 1 и соответственно положения стержня 8 относительно втулки 5, которые зависят от величины угловой скорости вращения. Это позволяет на стержне одновременно нанести деления, проградуированные в единицах угловой скорости вращения системы тел прибора. Также устанавливают, что величины центростремительных сил, действующих на вращающиеся грузы, всегда равны показаниям неподвижного динамометра, на котором прибор подвешен.

Если после вращательного импульса штанги грузы при освобожденном винте 6 не смещаются к оси вращения, что может иметь место при центростремительных силах, превышающих вес всего прибора, то к крючку 4 можно приложить дополнительную нагрузку и сместить вращающиеся грузы 2 до желаемых расстояний от оси вращения.

Для определения установившейся при этом угловой скорости вращения системы умножают угловую скорость, наблюдаемую по шкале стержня 8, на корень квадратный из частного от деления вторых показаний неподвижного динапометра на первые его показания.

Если угловая скорость вращения системы тел прибора незначительна и центростремительные силы, действующие на вращающиеся грузы, меньше веса прибора, то стержень поддерживают на соответствующей высоте относительно втулки в закрепленном состоянии.

Для определения этой незначительной угловой скорости вращения системы умножают наблюдаемую по шкале стержня угловую скорость на корень квадратный из частного от деления наблюдаемых показаний неподвижного динамометра на вес подвижной части прибора, при которой шкала угловых скоростей проградуирована.

Опытную проверку законов вращательного движения с помощью данного прибора осуществляют, проверяя справедливость формулы путем замены ее буквенных выражений одновременно наблюдаемыми величинами центростремительной силы, угловой скорости враще5

65 ния, массы вращающихся грузов и их расстояния до оси вращения, выполняя эту проверку при трех-четырех разных условиях вращения грузов, Опытную проверку законов вращательного движения также осуществляют путем наблюдения непосредственной зависимости величины центростремительной силы отдельно от массы вращающихся грузов, отдельно от угловой скорости их вращения и отдельно от расстояния центров вращающихся грузов до оси их вращения по показаниям, фиксируемым на стержне 8 и на шкале неподвижного динамометра.

Для опытной проверки закона сохранения суммарного вращательного момента свободно вращающейся системы тел штанге 1 с грузами сообщают вращательный импульс, и по установившимся показаниям на шкале угловых скоростей и шкале расстояний вращающихся грузов до оси вращения, а также по величине массы этих грузов определяют суммарный вращательный момент системы.

Вручную смещают стержень 8 и весь прибор на некоторое расстояние по вертикали и при новых условиях свободного вращения той же системы тел снова вычисляют суммарный вращательный момент системы.

Выполнив указанные вычисления после двух-трех смещений прибора в процессе его вращения на разные расстояния по вертикали и сопоставляя результаты вычислений, убеждаются в полной справедливости иллюстрируемого закона.

При переходе системы свободно вращающихся тел из одного состояния в другое суммарный вращательный момент системы остается неизменным, в то время как ее кинетическая энергия меняется. Угловая скорость и кинетическая энергия свободно вращающейся системы тел обратно пропорциональны моменту инерции системы. Изменение кинетической энергии свободно вращающейся системы связано с соответствующим количественным изменением ее потенциальной энергии, с совершением механической работы.

Указанные закономерности могут иллюстрироваться данным прибором следующим образом.

Штанге 1 с грузами, расположенными на ее концах, сообщают вращательный импульс, и по величине массы грузов, по их расстоянию от оси вращения и наблюдаемой угловой скорости определяют кинетическую энергию системы. На крючок 4 подвешивают дополнительный груз и предоставляют возможность всему прибору под действием общей силы притяжения к Земле сместиться вниз по оси стержня 8.

При новых условиях свободного вращения той же системы тел снова вычисляют кинети ческую энергкпо системы. Г1о общему весу прибора вместе с дополнительным грузом и величине его смешения под действием земного притяжения вычисляют совершенную при этом

254231

Предмет изобретения

Составитель М. Лиманова

Редактор В. Ф. Смирягина Техред 3. Н. Тараненко Корректор С. М. Сигал

Заказ 383/10 Тираж 480 Подписное

ЦНИИПИ Комитета по делам изобретений и открытий прп Совете Министров СССР

Москва Ж-35, Раушская наб., д. 4:5

Типография, пр. Сапунова, 2 работу Затем сопоставляют полученные величины и наглядно убеждаются в том, что совершаемая работа при переходе системы свободно вращающихся тел из одного состояния в другое (изменение потенциальной энергии системы) численно равно изменению ее кинетической энергии, что сумма всех видов энергии системы при любых ее изменениях — величина постоянная.

Учебный прибор по динамике свободно вращающейся системы тел, отличающийся тем, что с целью опытной проверки законов вращательного движения и сохранения суммарного вращательного момента, он выполнен в виде штанги со свободно надетыми на ее концах сменными грузами, укрепленной с возможностью поворота на перпендикулярном к ней градуированном стержне, скользящем во втулке, устанавливаемой неподвижно на шта I èâå, при этом грузы штанги с помощью хомутиков и гибких лент, перекинутых через ролики, соединены с поворотным крючком для подвешивания прибора к неподвижному динамометру, а стержень имеет на конце крючок для подвешивания гирь.