По физике за 9 класс (И.К.Кикоин, А.К.Кикоин, 1999 год),
задача №6
к главе «ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ ».

Цель работы: установить соотношение между моментами сил, приложенных к плечам рычага при его равновесии. Для этого к одному из плеч рычага подвешивают один или несколько грузов, а к другому прикрепляют динамометр (рис. 179).

С помощью этого динамометра измеряют модуль силы F , которую необходимо приложить для того, чтобы рычаг находился в равновесии. Затем с помощью того же динамометра измеряют модуль веса грузов Р . Длины плеч рычага измеряют с помощью линейки. После этого определяют абсолютные значения моментов М 1 и М 2 сил Р и F :

Вывод о погрешности экспериментальной проверки правила моментов можно сделать, сравнив с единицей

отношение:

Средства измерения:

1) линейка; 2) динамометр.

Материалы: 1) штатив с муфтой; 2) рычаг; 3) набор грузов.

Порядок выполнения работы

1. Установите рычаг на штатив и уравновесьте его в горизонтальном положении с помощью расположенных на его концах передвижных гаек.

2. Подвесьте в некоторой точке одного из плеч рычага груз.

3. Прикрепите к другому плечу рычага динамометр и определите силу, которую необходимо прило

жить к рычагу для того, чтобы он находился в равновесии.

4. Измерьте с помощью линейки длины плеч рычага.

5. С помощью динамометра определите вес груза Р .

6. Найдите абсолютные значения моментов сил Р и F

7. Найденные величины занесите в таблицу:

				M 1 = Pl 1 , Н⋅м

8. Сравните отношение

с единицей и сделайте вывод о погрешности экспериментальной проверки правила моментов.

Основной целью работы является установление соотношения между моментами сил, приложенных к телу с закрепленной осью вращения при его равновесии. В нашем случае в качестве такого тела мы используем рычаг. Согласно правилу моментов, чтобы такое тело находилось в равновесии, необходимо чтобы алгебраическая сумма моментов сил относительно оси вращения была равна нулю.

Рассмотрим такое тело (в нашем случае рычаг). На него действуют две силы: вес грузов P и сила F (упругости пружины динамометра), чтобы рычаг находился в равновесии и моменты этих сил должны быть равны по модулю меду собой. Абсолютные значения моментов сил F и P определим соответственно:

Выводы о погрешности экспериментальной проверки правила моментов можно сделать сравнив с единицей отношение:

Средства измерения: линейка (Δl = ±0,0005 м), динамометр (ΔF = ±0,05 H). Массу грузов из набора по механике полагаем равной (0,1±0,002) кг.

Выполнение работы

РАВНОВЕСИЕ ТЕЛ

«Дайте мне точку опоры, и я подниму Землю.»

Архимед

Условия равновесия.

• I условие равновесия:
• Тело находится в равновесии, если геометрическая сумма внешних сил, приложенных к телу, равна нулю.

∑ F=0.

• II условие равновесия:
• Сумма моментов сил, действующих по часовой стрелке, должна равняться сумме моментов сил, действующих против часовой стрелки.

∑ M по час. =∑ M против час.

• М = F l, где М – момент силы, F - сила, l – плечо силы – кратчайшее расстояние от точки опоры до линии действия силы.

Центр тяжести тела.

• Центр тяжести тела- это точка, через которую проходит равнодействующая всех параллельных сил тяжести, действующих на отдельные элементы тела.

• Найти центр тяжести данных фигур.
• Найти центр тяжести данных фигур.
• Найти центр тяжести данных фигур.
• Найти центр тяжести данных фигур.

ВИДЫ РАВНОВЕСИЯ

Безразличное

Устойчивое

Неустойчивое

Если на тело, имеющее опору, действуют уравновешивающие силы, то тело находится в положении равновесия.

При отклонении тела от положения равновесия нарушается и равновесие сил. Если тело под действием равнодействующей силы возвращается в исходное положение, то это - устойчивое равновесие .

Если же тело под действием равнодействующей силы, ещё сильнее отклоняется от положения равновесия, то это - неустойчивое равновесие .

Возможен случай, когда при любом положении тела, равновесие сил сохраняется. Это состояние называется безразличным равновесием .

Вывод :

• Равновесие устойчиво, если при малом отклонении от положения равновесия есть сила, стремящаяся вернуть его в это положение.
• Устойчиво такое положение, в котором его потенциальная энергия минимальна.

В случае если центр тяжести расположен ниже точки опоры, равновесие тела или системы тел – устойчивое . При отклонении тела, центр тяжести повышается, и тело возвращается в исходное состояние.

Равновесие тела, имеющего точку опоры ниже центра тяжести, неустойчиво . Но равновесие может восстанавливаться путём смещения точки опоры тела в сторону смещения центра тяжести.

По положению центра тяжести можно судить о виде равновесия. Например езда эквилибриста по канату на велосипеде с противовесом является примером устойчивого равновесия .

Вывод :

• Для устойчивости тела, находящегося на одной точке или линии опоры необходимо, чтобы центр тяжести находился ниже точки (линии) опоры.

Если при отклонении тела, имеющего площадь опоры, происходит повышение центра тяжести, то равновесие будет устойчивым. При устойчивом равновесии вертикальная прямая, проходящая через центр тяжести, всегда будет проходить через площадь опоры.

Два тела, у которых одинаковы вес и площадь опоры, но разная высота, имеют разный предельный угол наклона. Если этот угол превысить, то тела опрокидываются.

При более низком положении центра тяжести необходимо затратить большую работу для опрокидывания тела. Следовательно работа по опрокидыванию может служить мерой его устойчивости.

Неустойчивое равновесие

Устойчивое равновесие

Вывод :

1. Устойчиво то тело, у которого площадь опоры больше.

2. Из двух тел одинаковой площади устойчиво то, у которого центр тяжести расположен ниже, т.к. его можно отклонить без опрокидывания на большой угол.

• Существует три вида равновесия: устойчивое, неустойчивое, безразличное.
• Устойчиво положение тела, в котором его потенциальная энергия минимальна.
• Устойчивость тел на плоской поверхности тем больше, чем больше площадь опоры и ниже центр тяжести.

Для равновесия тела, находящегося под действием произвольной системы сил и пар сил, необходимо и достаточно, чтобыглавный вектор и главный момент этой системы относительно любой точки равнялись нулю.Главным вектором называют геометрическую сумму всех сил системы, аглавным моментом относительно точки – геометрическую сумму моментов всех сил относительно этой точки.

В общем случае условия равновесия в векторной форме имеют вид:

Проецируя векторные равенства (12.1) на координатные оси, получим аналитические условия равновесия:

;

Таким образом, для равновесия произвольной пространственной системы сил необходимо и достаточно, чтобы сумма проекций всех сил на каждую из трех координатных осей и сумма моментов их относительно каждой из этих осей были равны нулю.

При рассмотрении частных случае, когда система сил, действующих на тело, не является произвольной пространственной, условия равновесия записывают с учетом специфики данной системы сил.

Задачи статики на равновесие тела под действием различных систем сил следует решать в предлагаемой последовательности:

1) выбрать объект равновесия;

2) изобразить все активные силы, действующие на объект равновесия;

3) отбросить связи, наложенные на объект равновесия, и заменить их действие реакциями, соответствующими типам связей;

4) записать для полученной системы сил систему уравнений равновесия, решить эту систему и определить искомые величины.

Примечания:

■ в качестве объекта (объектов) равновесия может быть выбрана материальная точка, тело или совокупность связанных между собой тел таким образом, чтобы к этому объекту (объектам) были приложены все искомые силы или их часть;

■ если из уравнения равновесия невозможно однозначно определить все искомые силы или иные неизвестные параметры, то задача является статически неопределенной и решать ее в рамках статики нельзя. При этом возможны следующие случаи: число неизвестных больше числа уравнений статики, матрица системы уравнений при равенстве числа неизвестных числу уравнений – особенная (вырожденная ), число неизвестных меньше числа уравнений. В последнем случае объект может находиться в равновесии только при условиях, налагаемых на активные силы.

1.4. Центр параллельных сил. Центр тяжести

В статике доказывают, что если система параллельных сил имеет равнодействующую, то существует точка, притом только одна, через которую проходит ее линия действия. Эту точку называютцентром параллельных сил . Центр параллельных сил обладает одним важным свойством – если все силы повернуть относительно параллельных осей, проходящих через точки их приложения на один и тот же угол, то равнодействующая системы этих сил повернется на тот же угол относительно аналогичной оси, проходящей через центр параллельных сил.

Рассмотрим тело произвольной формы, находящееся в поле сил тяжести Земли. При этом на каждый элементарный объем рассматриваемого тела действует сила тяжести

, (1.3)

где
– удельный вес элемента объема
,

.

Когда тело однородно, не зависит от координат.

Силы тяжести, действующие на каждый элементарный объем тела, направлены к центру Земли. Если размерами тела по отношению к размерам Земли пренебречь, то систему сил тяжести можно считать системой параллельных сил, направленных в одну сторону. Такая система всегда имеет равнодействующую, а, следовательно, и центр параллельных сил.

Центр системы сил тяжести, действующих на тело со стороны Земли, называют центром тяжести тела . Если тело рассматривается в системе отсчета с центром в точкеО и с координатными осямиx ,y ,z (рис. 1.8), то радиус-вектор центра тяжести и его координаты определяют по формуле:

Здесь
– модуль силы тяжести, действующей на элементарный объем
.

Центр тяжести не изменяет своего положения по отношению к телу при любой его ориентации относительно Земли. Центр тяжести – геометрическая точка, которая может не принадлежать телу, но обязательно с ним жестко связана. Если тело однородно, т.е.
, где
, то вместо понятия центр тяжести можно использовать центр тяжести объема, занимаемого телом. Аналогично, если однородное тело представляет собой тонкую пластинку или оболочку постоянной толщины, либо тонкий криволинейный стержень постоянной толщины, то центр тяжести такого тела называютцентром тяжести поверхности илилинии .

Формулы, по которым определяют координаты центров тяжести однородных тел, имеют следующий вид:

– центр тяжести объема

– центр тяжести поверхности

– центр тяжести линии

, (1.7)

где соответственно величины: V – объема тел;S – площади поверхности тела;L – длины тела, по которым берут интегралы.

Для нахождения центров тяжести тел используют непосредственно приведенные формулы, а также правила симметрии и методы разбиения сложных тел на более простые, для которых легче определить положения их центров тяжести. В отдельных случаях положения центров тяжести тел находят экспериментальным путем.

1.5 .Сухое трение. Законы Кулона

Понятия сухого трения вводятся в теоретическую механику из физики. Реальные тела не являются идеально гладкими и абсолютно твердыми. Поэтому при попытке перемещать или катить одно тело по поверхности другого возникают, кроме сил взаимодействия, направленных по общей нормали к соприкасающимся поверхностям в месте их контакта, силы и пары сил, которые препятствуют скольжению и качению. Эти силы называют соответственно силами трения скольжения и силами трения качения. Трение называютсухим , если между взаимодействующими твердыми телами отсутствует смазочный материал.

Многие задачи статики не могут быть решены без учета сил трения. Так, например, без этих сил невозможно равновесие твердого тела на наклонной плоскости. Всем известен факт буксования колес автомобиля на скользкой дороге, так что само движение в большинстве случаев обусловлено силами трения. Трение скольжения и трение качения учитывают в статике посредством эмпирических (опытных) данных, которые называют законами Кулона .

При попытке качения одного тела по поверхности другого сопротивление качению оказывает пара сил, называемая моментом сил трения качения . Сформулируем законы Кулона для трения качения. Направление момента сил трения качения противоположно тому направлению, в котором активные силы стремятся катить тело. Величина момента трения качения находится в интервале 0 ≤М тр ≤М тр.пр. Ее определяют формулой

М тр.пр = δN ,

где δ – коэффициент трения качения , имеющий размерность длины;N – нормальное давление. Экспериментально установлено, что величина δ зависит от материалов тел и радиуса катящегося тела. Значения δ можно найти в справочниках.

Отличительной особенностью задач статики при наличии сил трения является то, что, когда сила трения F тр или момент сил тренияМ тр меньше предельных значений, реакции связей, включающие силу и момент сил трения, определяют из уравнений равновесия, как обычно. Если же силы трения достигают предельных значений, то их находят с помощью коэффициентов трения и вводят как известные величины. При этом, однако, тело не находится в равновесии и применение уравнений статики ко всему телу становится неправомерным. Для установления равновесия тел при наличии трения уравнения равновесия дополняют соответствующими неравенствами, которые требуют, чтобы сила трения скольжения или момент сил трения качения не превосходили предельных значений.

Вопросы для самоконтроля

1. Что изучают в разделе статика курса теоретической механики?

2. Что называют абсолютно твердым телом?

3. Как определяют понятия силы и системы сил в статике?

4. Какие соотношения существуют между силами и системами сил? Приведите классификацию сил.

5. На каких аксиомах базируются теоретические положения статики?

6. Какое тело называют несвободным?

7. Как определяют понятия связей и их реакций?

8. Какие основные связи могут быть наложены на абсолютно твердое тело? Какие реакции возникают в этих связях?

9. Как формулируют условия равновесия абсолютно твердого тела в векторной и аналитической формах?

10. Какова последовательность решения задачи об определении реакций связей?

11. Какие условия должны выполняться для разрешимости системы уравнений равновесия абсолютно твердого тела?

12. Как определяют радиус-вектор и координаты центра тяжести тела?

13. Каким образом в статике учитывают действие сил сухого трения на твердое тело?

14. В чем заключаются особенности решения задач статики при наличии сил трения?

Если груз отклонен от вертикалиr на расстояние r, как и при дви-

жении по окружности, то сила F равна той силе, которая вызывала движение груза по окружностиr . Мы получаем возможность срав-

ружности, по которой движется груз, изменялся вследствие влияния сопротивления воздуха медленнее и изменение это незначительно влияло на измерения, следует выбирать его небольшим (порядок

0,05÷ 0,1 м).

Выполнение работы

tср , c

a, м/c2

Вычисления

tср =

t1 + t2 + t3 + t4

12c+ 13c+ 14c

t ср

4 (13,4)2

(13,5с)2

ma = 0,1кг 1,082 м/с2 = 0,108 F≈ 0,1H

Оценка погрешностей.

Точность измерения: линейка − ∆ r =± 0,0005 м секундомер− ∆ t =± 0,5 с динамометр−∆ F =± 0,05 Н

Подсчитаем погрешность определения периода (если считать, что число n определено точно):

εТ =

0,5с

t ср

Погрешность определения ускорения подсчитаем как:

εа =

∆а

∆r

0,0005м +2 0,04= 0,05 (5%)

Погрешность определения ma ε m а =ε m

+ ε а = 0,002

(7%), то есть ma = (0,108± 0,008) Н. С другой стороны, силу F мы измерили со следующей погрешностью:ε F =∆ F F =0 0,1 ,05 Н Н =0,5 (50%)

Такая погрешность измерения, конечно, очень велика. Измерения с такими погрешностями годны только для приблизительных

оценок. Отсюда видно, что отклонение отношение m F a от единицы

может быть существенным при использовании примененных нами способов измерения* .

Лабораторная работа № 6

«Изучение равновесия тел под действием нескольких сил»

Основной целью работы является установление соотношения между моментами сил, приложенных к телу с закрепленной осью вращения при его равновесии. В нашем случае в качестве такого тела мы используем рычаг. Согласно правилу моментов, чтобы такое тело находилось в равновесии, необходимо чтобы алгебраическая сумма моментов сил относительно оси вращения была равна нулю.

Рассмотрим такое тело (в нашем случае рычагr ). На негоr действуют две силы: вес гру-

зов P и сила F (упругости пружины динамометра), чтобы рычаг находился в равновесии и моменты этих сил должны быть равны по модулю медуr собойr . Абсолютные значения

моментов сил F и P определим соответст-

венно: М1 = Рl 1 ; M2 = Fl 2 .

Выводы о погрешности экспериментальной проверки правила мо-

ментов можно сделать сравнив с единицей отношение: M 1 . M2

Средства измерения: линейка (∆l = ±0,0005 м), динамометр (∆F =

±0,05 H). Массу грузов из набора по механике полагаем равной

(0,1±0,002) кг.

Выполнение работы

	l 1 , м	l 2 , м			M1 , нм	M2 , нм	M1 / M2

1* Так что вам не следует смущаться, если в этой лабораторной работе отношениеma F будет отличным от единицы. Просто аккуратно оцените все погрешности измерений и сделайте соответствующий вывод.

Вычисления: M1 =Pl 1, M2 = Fl 2

1) M 1 =4H 0,1м=0,4 Н м M2 =1,1H 0,35м=0,385 Н м

M 2 =1,04

2) M 1 =2H 0,2м=0,4 Н м M2 =2,7H 0,1 5м=0,405 Н мM

M1 =1H 0,3м=0,3 Н м

M2 =3H 0,1 м=0,3 Н м

Оценим погрешности:

ε M 1

= ε M1+ ε M2= ε P+ ε l + ε F+ ε l

εP = εm + εg =

∆m

∆g

0,2м/ c2

10м/ c2

В 1-м опыте отклонение от единицы максимально и составляет

(1,04 − 1)× 100%=4%. Для первого опыта:

0,04+

0,04 +0,005+0,045+0,001

Поскольку ε р = const и не зависит от количества грузов, ясно, что

	ε M 1		в любом опыте меньше, чем (относительная погрешность оп-
	ределения P . Вывод. Во всех опытах отклонение				от единицы

лежит в пределах погрешности измерений.

Лабораторная работа № 7

«Изучение закона сохранения механической энергии»

Закон сохранения механической энергии. Полная механическая энергия замкнутой системы тел, взаимодействующих силами тяготения или силами упругости, остается неизменной при любых дви-

жениях тел системы Ер1 + Ек1 = Ер2 + Ек2

Рассмотрим такое тело (в нашем случаеr рычагr ). На не-

го действуют две силы: вес грузов P и сила F (упругости пружины динамометра), чтобы рычаг находился в равновесии и моменты этих сил должны быть равны по модулюr медуr собой. Абсолютные значения момен-

тов сил F и P определим соответственно: М1 = Рl 1 ;

M2 = Fl 2 .

Рассмотрим груз, прикрепленный к упругой пружине таким образом, как показано на рисунке. Вначале удерживаем тело в положении 1, пружина не натянута и сила упругости, действующая на тело

равна нулю. Затем отпускаем тело и оно падает под действием силы тяжести до положения 2, в котором сила тяжести полностью компенсируется силой упругости пружины при удлинении ее на h (тело покоится в этот момент времени).

Рассмотрим изменение потенциальной энергии системы при переходе тела из положения 1 в положение 2. При переходе из положения 1 в положение 2 потенциальная энергия тела уменьшается на величину mgh, а потенциальная энергия пружины возрастает на ве-

личину kh 2 2 .

Целью работы является сравнение этих двух величин. Средства измерения: динамометр с известной заранее жесткостью пружины 40 Н/м, линейка, груз из набора по механике.

Выполнение работы:

	h=xmax , м	hср =xñð , м	Е1ср , Дж	Е2ср , Дж		E 1cp
						E 2cp

Вычисления: hср = хср =

x1 + x2

X3 + x4 + x5

0,054 м + 0,052 м + 0,048 м + 0,05 м + 0,052 м

Е1ср = mghcp = 0,1 кг 9,81 м/с2 0,051 м = 0,050 Дж

40 H /м (0,051м ) 2

Е 2ср

0,052 Дж .

Оценим погрешности:

ε Е

= εЕ

+ εЕ

х + εm + εx = 3εx + εm

x cp

0,05 = 0,96 0,05 ≈ 0,05

Отношение потенциальных энергий запишем как:

откуда видно, что полученное отклонение от единицы лежит в пределах погрешности измерений.

Лабораторная работа № 8

«Измерение ускорения свободного падения с помощью маятника»

Изучая курс физики вам часто приходилось использовать в решении задач и других расчетах значение ускорения свободного падения на поверхности земли. Вы принимали значение g = 9,81 м/с2 , то есть с той точностью, которой вполне достаточно для производимых вами расчетов.

Целью данной лабораторной работы является экспериментальное установление ускорения свободного падения с помощью маятника. Зная формулу периода колебания математического маятника Т =

2π g l можно выразить значение g через величины, доступные про-

стому установлению путем эксперимента и рассчитать g с некото-

рой точностью. Выразим g = 4 π 2 l , гдеl − длина подвеса, а Т− пери-

од колебаний маятника. Период колебаний маятника Т легко определить, измерив время t, необходимое для совершения некоторого

количества N полных колебаний маятника Т = N t . Математическим

маятником называют груз, подвешенный к тонкой нерастяжимой нити, размеры которого много меньше длины нити, а масса − много больше массы нити. Отклонение этого груза от вертикали происходит на бесконечно малый угол, а трение отсутствует. В реальных

условиях формула Т=2π g l имеет приблизительный характер.

Рассмотрим такое тело (в нашем случаеr рычаг). Наr

него действуют две силы: вес грузов P и сила F (упругости пружины динамометра), чтобы рычаг находился в равновесии и моменты этих сил должны быть равны по модулюr медуr собой. Абсолютные

значения моментов сил F и P определим соответственно:

М1 = Рl 1 ; M2 = Fl 2 .

В лабораторных условиях для измерения с некоторой степенью точности можно использовать небольшой, но массивный металлический шарик, подвешенный на нити длиной 1− 1,5 м (или большей, если есть возможность такой подвес разместить) и отклонять его на небольшой угол. Ход работы целиком понятен из описания ее в учебнике.

Средства измерения: секундомер (∆ t =± 0,5 c); линейка или измерительная лента (∆ l =± 0,5 cм)

Выполнение работы:

tcp , с

Т cp

gср , м/с2

Вычисления:

t cp

t 1+ t 2+ t 3

100 c + 98 c+ 99 c

2,475

4π 2 l

4 (3,14)2 1,5 м

9,б57 м/ с2 .

(2,475 с)2

Погрешность:

− g

9,657 −

0,015 (1,5%) g = 9,8l м/c2 .

В § 41 мы нашли условие равновесия тела, находящегося под действием трех сил, расположенных под углом друг к другу и приложенных к одной точке. Оказалось, что для этого все три силы должны лежать в одной плоскости и каждая из них должна равняться по модулю и быть обратной по направлению равнодействующей двух других сил.

Рис. 97. Исследование условий равновесия твердого тела под действием трех сил, приложенных к разным точкам тела

Рис. 98. Точка пересечения уравновешивающихся сил может лежать вне тела

Но на практике часто силы оказываются приложенными не в одной точке. Выясним, каковы будут условия равновесия в этом случае. Для этого воспользуемся таким же устройством с тремя гирями, какое мы применяли в § 41, с той разницей, что нити, на которых подвешены гири, будем прикреплять к разным точкам куска легкого картона, как показано на рис. 97. Если масса картона мала по сравнению с массами гирь, то силой тяжести, действующей на картон, можно пренебречь и считать, что к нему приложены только силы натяжения нитей. Опыт покажет, что при равновесии все нити (а значит, и силы, действующие на картон) расположатся в одной плоскости. Отмечая на картоне линии, указывающие направления нитей, и продолжая их до пересечения, убедимся, что все три линии пересекаются в одной точке. Перенося в нее точки приложения всех трех сил натяжения нитей, убедимся, что и в этом случае условие равновесия трех сил, сформулированное выше, оказывается выполненным.

Заметим, что точка пересечения направлений сил не должна при этом обязательно лежать в самом теле (рис. 98).

Рис. 99. Люстра находится в равновесии под действием четырех сил, не лежащих в одной плоскости

Рис. 100, К упражнению 72.2

Если на тело действуют больше чем три силы, то равновесие может наступить и в том случае, когда силы не лежат в одной плоскости. Такой случай (груз, подвешенный на трех тросах) показан на рис. 99.

72.1. Докажите, что при равновесии трех сил ломаная, составленная из них, образует "треугольник.

72.2. Груз массы 5 кг подвешен на двух нитях: одна расположена горизонтально, другая - под углом в 45° к горизонту (рис. 100). Найдите силы натяжения нитей.

72.3. Судно пришвартовано к берегу двумя тросами, образующими с линией берега угол 60° (рис. 101). Под действием ветра, дующего с берега, оба троса натянулись так, что сила натяжения каждого троса составляет 10 кН. Определите силу, с которой ветер давит на судно.

Рис. 101. К упражнению 72.3

Рис. 102. К упражнению 72.4

72.4. На проволоке подвешен груз массы 10 кг; к середине проволоки прикреплена горизонтально расположенная оттяжка, перекинутая через блок (рис. 102). На конец оттяжки подвешен груз массы 2,5 кг. Найдите угол а, который образует верхняя часть проволоки с вертикалью, и силу натяжения верхней части проволоки.