Читайте также:
|
КАФЕДРА ФИЗИКИ
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6А
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ НА УСТАНОВКЕ
«МАШИНА ОБЕРБЕКА»
Методическое указание к выполнению лабораторной работы по разделу «»Механика» для студентов всех форм обучения по всем специальностям
Калининград
Цель работы: 1. Ознакомление с законом сохранения энергии и условиями его применения;
2. Измерение работы сил трения, сопротивления и коэффициента полезного действия.
Используемый реквизит: сменные грузы, линейка, ручной секундомер.
ВВЕДЕНИЕ
В механике машиной вообще называется любое устройство, где заранее запасённая энергия преобразуется в кинетическую энергию механического движения, используемого для практических целей.
Например, энергия содержится в топливе (дрова, уголь, нефтепродукты и т.д.), и все виды самоходного транспорта с применением топлива являются машинами.
В ряде установок используется энергия гравитационного поля Земли, которую приобретают в виде потенциальной энергии тела, поднятые на некоторую высоту.
В XVIII-XIX в.в. были изготовлены специальные установки с целью изучения и демонстрации явления преобразования такой потенциальной энергии в кинетическую энергию механического движения. Некоторые из них вошли в состав лабораторных практикумов по механике со специфическими названиями: "машина Атвуда", "установка Максвелла" и т.п.
В данной работе исследование проводится на машине Обербека. На рис.1 показана принципиальная схема этой установки без дополнительного блока, имеющегося в конструкции.
1- груз на
4 нити
2-шкив
3- стержни с
5 грузами
3 4- втулка
5- ось
Рис.1.
Основной частью машины Обербека являются взаимно-перпендикуляр-
ные стержни, закреплённые на втулке, насаженной на ось. На стержни устанав-
ливают симметрично дополнительные грузы. К втулке прикреплён шкив, на обод которого наматывается нить с подвешенным грузом.
При опускании груза на шкиве действует момент силы натяжения нити, приводящий во вращение стержневую часть установки. Начало намотанной нити закреплено на шкиве. После опускания груза на полную длину нити стержневая часть продолжает вращаться по закону инерции. При этом нить автоматически перебрасывается на противоположную сторону шкива и начинает на него наматываться, поднимая груз.
На некоторой высоте груз останавливается (вместе со стержнями) и затем начинается его движение вниз. Этот процесс повторяется при уменьшающейся высоте последующих подъёмов груза из-за действия сил трения и сопротивления.
На рис.2 показаны схемы сил на нити с учётом дополнительного блока и расположение нити после её переброски на шкиве.
Примечание. В некоторых учебных пособиях машину Обербека называют "крест Обербека". Иногда эту установку называют "маятником Обербека". Однако настоящий маятник - это устройство, где происходят колебания. Периодическое опускание и подъём груза в машине Обербека не являются колебаниями, если грузы на стержнях сбалансированы. Машину Обербека можно преобразовать в физический маятник при несимметричном расположении грузов на стержнях.
В учебном процессе используются две установки, различающиеся параметрами некоторых своих элементов (подробно см. на установках).
Теоретический расчёт и анализ опытных данных для машины Обербека можно выполнять разными способами. Например, можно записать систему уравнений динамики для поступательного движения груза на нити и вращательного движения стержневой части установки. С помощью ряда измерений затем можно было бы найти момент сил трения и сопротивления и другие характеристики установки, в том числе - работу сил трения и сопротивления, определяющую качество преобразования потенциальной энергии в кинетическую энергию.
В данной работе будет рассмотрен энергетический расчёт машины Обербека и выполнены соответствующие измерения.
ПОНЯТИЕ ЭНЕРГИИ. ОБЩЕФИЗИЧЕСКИЙ ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ ЭНЕРГИИ
Важнейшими понятиями механики являются: сила, импульс, момент импульса, энергия. Эти физические величины определяются в качестве мер.
Сила - это векторная мера взаимодействия.
Импульс - это векторная мера движения при линейных перемещениях (переносах) тел в пространстве.
Момент импульса - это векторная мера движения при изменении ориентации (поворотах) тел в пространстве.
Энергия - это всеобщая скалярная мера движения и взаимодействия всех видов материи.
блок
S1*
S1* S2⋇ S2*
S1
шкив S1
Р В S2 r S2
r 
P груз
ω
G
G
а) б)
Рис.2.
Пояснение. Дополнительный блок применяется для увеличения высоты подъёма груза и улучшения переброски нити на шкиве. На первой схеме - а) груз опускается, и нить на шкиве разматывается. На второй схеме - б) груз поднимается, т.к. нить после опускания груза перебрасывается на другую сторону шкива и теперь наматывается на его обод. Момент силы натяжения нити Мр= r∙ х∙ S1. В первом случае момент силы S1 "помогает" шкиву вращаться и угловая скорость w увеличивается. Во втором случае шкив продолжает вращаться по инерции, но момент силы S1 "тормозит" шкив и угловая скорость w уменьшается, так что шкив (вместе с грузом) через некоторое время остановится.
На схемах показаны направления скорости груза, движущегося под действием силы тяжести G и натяжения нити S2. При движении груза сила G>S2.
Силы S были бы равны между собой (S1=S*1=S2=S*2) при условии, что блок невесом и на его оси нет трения. В реальной схеме эти силы равны попарно (S1=S*1; S2=S*2). Объясните, почему в первом случае S*2>S*1, а во втором- S*1>S*2. Как это влияет на высоту подъёма груза после переброски нити?
Общефизическое понятие энергии сформировалось в XIX в., когда было установлено, что все виды взаимодействия и движения возможны только при наличии особой физической величины, получившей название «энергия». При этом энергия переходит из одной формы в другую: механическую, внутреннюю, электромагнитную, химическую, ядерную и др. Такое разделение форм энергии условно. Например, внутренней энергией называется сумма кинетической энергии хаотического движения атомов и молекул и энергии взаимодействия таких частиц, которая складывается из энергии электромагнитного и гравитационного взаимодействий.
Установлено, что при переходе из одной формы в другую суммарное значение энергии не изменяется, и на этом основании сформулирован общефизический закон сохранения энергии: в изолированной системе энергия может переходить из одной формы в другую, но её количество остается постоянным.
В космологической механике предполагается, что в Большой Вселенной (включающей в себя всю совокупность Галактик) количество энергии сохраняется неизменным. Отметим, что в Большой Вселенной суммарное значение сил, импульсов и моментов импульсов оказывается равным нулю вследствие полной балансировки этих векторных величин.
Примечание. Система тел называется изолированной, если составляющие систему тела не взаимодействуют с внешними объектами. В этом смысле Большая Вселенная по определению является изолированной системой.
Дата добавления: 2015-11-26; просмотров: 136 | Нарушение авторских прав