Сравнить внутренние силы с внешними

6. Сравнить внутренние силы с внешними.

Техническое обслуживание

Периодически осматривать установку и при необходимости подтягивать ослабленные винты.

Контрольные вопросы

1.Что называется импульсом тела?

2.Какая система называется замкнутой, или изолированной?

3.Сформулируйте закон сохранения импульса и закон сохранения энергии.

4.Какие виды энергии вам известны? Дайте определения механической, кинетической, потенциальной и внутренней энергиям.

5.Что называется упругим и неупругим ударами?

6.Запишите законы сохранения энергии и импульса для данной установки при упругом и неупругом ударе.

7.Выведите рабочую формулу.

Лабораторная работа №2

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ПУЛИ МЕТОДОМ ФИЗИЧЕСКОГО МАЯТНИКА

Цель работы: лабораторная установка «Определение скорости пули методом физического маятника» позволяет иллюстрировать законы сохранения в механике: закон сохранения момента импульса, закон сохранения полной механической энергии и изменение полной механической энергии при неупругом ударе.

При работе на данной установке определяется скорость пули пружинного ружья по отклонению физического маятника от положения равновесия.

Приборы и принадлежности: лабораторная установка физический маятник; габаритные размеры:

длина – не более 470 мм

ширина – не более 210 мм

высота – не более 670 мм

масса – не более 7 кг

масса пули m₁ = (2,4 ±0,03) г

масса стержня m ₂= (77 ±0,1) г

масса ловушки m₃ = (12,5 ±0,5) г

расстояние от оси до центра ловушки l₁ = (575 ±0,5) мм

длинна стержня l₂ = (570 ± 0,5) мм

расстояние от оси до линейки l = (625 ± 0,7) мм

Состав изделия и комплект поставки:

– основание с закрепленными на нем пружинным ружьем, неподвижной частью фиксатора с линейкой и ограничителем – 1 шт.

– стойка с физическим маятником – 1 шт.

– цилиндрическая пуля – 1 шт.

Устройство и принцип работы

Установка (рис. 2) состоит из основания 1, стоики 2, на которой закреплена ось физического маятника, состоящего из стержня 3 и ловушки для пули 4. На ловушке установлен неподвижный относительно нее указатель 5 и подвижная часть фиксатора крайнего положения маятника 6. На основании установки закреплены также ограничитель перемещения маятника 7, неподвижная часть фиксатора крайнего положения с измерительной линейкой 8 и пружинное ружье. Пружинное ружье состоит из основания ружья 9, цилиндра с пружиной 10 и рукоятки 11 для сжатия пружины, фиксации ее в сжатом положении и произведения выстрела. Для заряжания ружья цилиндрической пулей в верхней части его основания имеется прямоугольное отверстие 12.

При выводе расчетной формулы рассматривается процесс абсолютно неупругого соударения пули с физическим маятником. Пуля, взаимодействуя с физическим маятником, неупругого тормозится и сообщает маятнику угловую скорость w, в результате маятник отклоняется на угол a от вертикали.

Если время t соударения пули с маятником мало по сравнению с периодом Т колебания физического маятника, то он за время соударения не успевает заметно отклониться от исходного положения. Учитывая также, что момент внешних сил мал (внешние силы значительно меньше внутренних), систему пуля – маятник можно рассматривать как квазизамкнутую и применять к ней закон сохранения момента импульса.

m₁Vl=Iw, (1)

где m₁ – масса пули, V – скорость пули, l – расстояние от оси маятника до точки попадания в него пули, I – момент инерции маятника с пулей относительно оси вращения физического маятника. В нашем случае

I=(m₂l₂²)/3 + (m₁+m₃)l₁², (2)

где m₂ – масса стержня, m₃ – масса ловушки, l₂ – длина стержня.

Физический маятник, имея начальную угловую скорость w, отклоняется на угол a (баллистический отброс). При подъеме маятника центр масс поднимается на высоту h. Закон сохранения механической энергии после удара запишется в этом случае в виде

Iw²/2=(m₁ + m₂ + m₃)gh, (3)

где h=R_ц.т..(1-cosa)=2R_ц.т..sin²(a/2) (4)

– высота подъема центра масс при отклонении маятника;

R_ц.т. – расстояние от точки подвеса маятника до центра тяжести системы:

R_ц.т.=.(5)

Выражая V из (1), получим

V=wI/m₁l₁ ,(6)

где w – из (3):

w=[2gh(m₁+m₂+m₃)/I]^1/2; (7)

тогда

V=(1/m₁l₁)[2ghI(m₁+m₂+m₃)]^1/2 (8)

Подставляя в (8) значения h и I, окончательно получим

V=(2sina/2)/m₁l_l[g(m₂l₂/2+m₁l₁+m₃l₁)(m₂l₂²/3+m₁l₁²+m₃l₁²)]^1/2.

Принимая m₁ = m₂ m₃, а также l₁» l₂=l,

V = (sina/2)/ m₁)((2gl/3)(m₂²+5m₂m₃+6m₃²))^1/2. (9)

Так как угол a мал, то можно заменить sin(a/2) = a/2 (при этом угол надо выражать в радианах), где a=(S-S₀)/l’, l’ – расстояние от оси вращения маятника до линейки, S_cp– среднее значение положения указателя после выстрела и S₀ – начальное положение указателя.

Подготовка изделия к работе

1. Закрепить стойку с физическим маятником на основании. При этом обратить внимание на то, чтобы прорезь в подвижной части фиксатора охватывала неподвижную его часть и маятник перемещался по линейке без трения.

2. При необходимости переместить пружинное ружье так, чтобы пуля попадала в центр отверстия ловушки.

Порядок выполнения работы

1.Взвесить на весах пулю и определить ее массу m₁.

2.Записать данные установки: m₁=...., m₂....., m₃=...., l=....., l’=....

3.Рукояткой 11 (рис. 2) сжать пружину ружья и зафиксировать ее, повернув рукоятку против часовой стрелки.

4.Подняв подвижную часть фиксатора 6 на ловушке, перевести маятник в вертикальное положение.

5.Записать начальное положение указателя S₀.

6.Через прорезь 12 в основании ружья вложить в него цилиндрическую пулю.

7.Произвести выстрел, повернув рукоятку по часовой стрелке.

8.Записать в таблицу положение указателя. Повторить опыт не менее 5 раз.

9. Определить среднее значение угла a_ср

a_ср=(S_ср–S₀)/lґ.

10. Для каждого значения рассчитать скорость пули V по формуле (9). Значения 1, m₁, m₂ указаны на установке.