Режим тренировки Edu
Баллы скрыты. Решайте по частям: открывайте подсказки и ответ только когда застряли, отмечайте решённое.Задание 1. «Мертвая петля»
Часть1. Исследование деформации резинки.
Деформация резины зависит не только от приложенной силы, но и от ее предшествующей деформации (явление гистерезиса). Поэтому при проведении измерений нагрузку изменяйте в нужной последовательности. После снятия нагрузки дайте резинке «отдохнуть» около минуты в свободном состоянии.
1.1 Подвесьте резиновое колечко на стержень лапки. Измерьте зависимость длины резинки от приложенной к нему силы. Измерения проведите в следующей последовательности:
- «нагрузка»- сначала последовательно увеличивайте нагрузку: подвесили один груз – измерили длину, добавили второй – измерили длину и т.д.;
- максимальная деформация: после того как вы подвесили 6 грузов (и измерили длину), растяните резинку еще немного (осторожно – не порвите!) и медленно отпустите;
- «разгрузка» - измерьте длину резинки при 6 подвешенных грузах, снимите один – измерьте длину и т.д.
Проведи измерения аккуратно по указанной последовательности и помни про гистерезис — резинка ведёт себя иначе при нагрузке и разгрузке.
Запиши для каждого числа грузов (включая ноль) длину резинки
- Подвесь резинку, последовательно добавляй грузы и измеряй
для каждого ; - После максимальной деформации растяни ещё чуть-чуть и медленно отпусти; повтори измерения при разгрузке;
- Повтори серию (при возможности) и запиши разброс результатов;
- Составь таблицу
— и выразите для каждого из полученных данных
1.2 Постройте график зависимости длины (не удлинения!) резинки от приложенной силы при нагрузке и при разгрузке.
Можно считать, что сила тяжести одного груза равна 1 Н.
Соберите установку, показанную на фото. Резинка должна крепиться к стержню штатива на высоте, равной высоте линейки. Нижний край линейки упирается в стержень штатива. Вам необходимо провести исследования зависимости отклонения линейки от массы подвешенного груза.
Нарисуй график зависимости длины резинки от приложенной силы отдельно для нагружения и для разгружения — сравни кривые и отметь гистерезис.
Построь оси: по горизонтали сила (число грузов, 1 груз = 1 Н), по вертикали длина
- Нанеси на график точки
для каждой записи из таблицы; - Соедини точки для ветви нагружения одной линией, для ветви разгружения другой; укажи погрешности измерений;
- Оцени среднюю разбросность точек и при необходимости построй гладящие кривые;
- Из полученных кривых выразите зависимости
для нагружения и для разгрузки
2.1 Запишите условие равновесия линейки, прикрепленной резинкой к штативу и с подвешенными грузами.
Нарисуй свободное тело для линейки: отметь все силы, которые на неё действуют, и укажи точки их приложения и направления.
Запиши условие статического равновесия в виде равенства сумм моментов сил относительно удобной точки отсчёта (например, точки подвеса линейки).
- Выбери точку отсчёта моментов (точку O).
- Для каждой силы запиши её момент как произведение силы на плечо (расстояние от O до линии действия силы).
- Составь равенство: суммарный момент сил тяжести, вызванный подвешенными грузами, равен моменту упругой силы резинки.
- Вырази
из полученной системы.
2.1 Условие равновесия линейки, прикрепленной резинкой к штативу и с подвешенными грузами, следует из равенства моментов сил тяжести подвешенных грузов и силы упругости резины:
2.2 Покажите, что выполняются следующие геометрические соотношения
Нарисуй схему треугольников, образованных линейкой и растянутой резинкой, и обрати внимание на подобие треугольников.
Применяй свойства подобия прямоугольных треугольников, связывающие
- Из схемы выдели прямые треугольники с гипотенузой
и катетами и ; - Запиши соотношения сторон в каждом треугольнике и вырази тангенс/косинус соответствующего угла;
- Исключи угловую величину, получив систему соотношений между
, и ; - Из полученной системы выразите
и через и
2.2 Указанные геометрические соотношения следуют из рассмотрения подобия треугольников и почти очевидны.
2.3 Используя экспериментальные данные, полученные в первой части, и пренебрегая массой линейки, рассчитайте зависимость момента силы упругости резинки в описанной экспериментальной установке, от величины горизонтального отклонения
Нарисуй схему сил на линейке и укажи, какие силы создают моменты вокруг точки опоры. Подумай, как изменение длины резинки меняет её плечо и тем самым момент.
Запиши условие равновесия в виде равенства моментов: момент силы упругости резинки вокруг точки опоры равен суммарному моменту от подвешенных грузов (суммарная вертикальная сила грузов умножается на её плечо). Обозначь суммарную вертикальную силу через
- Для каждого измеренного значения длины
по данным из части 1 рассчитай соответствующее горизонтальное отклонение используя геометрические соотношения из п.2.2. - Вычисли плечо действия силы упругости
для каждого и для каждого режима (нагрузка/разгрузка). - Найдя
, составь выражение для момента упругости (представьу п р у п р через условную единицу силы, равную одному подвешенному грузу, или через суммарную силуу п р ), и на том же листе построй графики и моментов от грузову п р для разных значенийт я ж . - Из полученной системы графиков определите (или выразите) значения
в точках пересечения графиков иу п р — это и будут положения равновесия для соответствующих нагрузок.т я ж
2.3 Приведенные геометрические соотношения позволяют по данным таблицы 1 для каждого значения
Результаты расчетов приведены в таблице 2, по этим данным построен график зависимости момента силы упругости от горизонтального отклонения
Таблица 2.
| 8,5 | 8,45 | 39,77 | 0 | 0,00 |
| 10,3 | 10,21 | 39,67 | 1 | 39,67 |
| 16,6 | 16,24 | 39,13 | 2 | 78,26 |
| 23,3 | 22,29 | 38,27 | 3 | 114,80 |
| 28,4 | 26,55 | 37,39 | 4 | 149,58 |
| 32,3 | 29,55 | 36,59 | 5 | 182,97 |
| 34,7 | 31,27 | 36,04 | 6 | 216,25 |
| 34,7 | 31,27 | 36,04 | 6 | 216,25 |
| 34,1 | 30,85 | 36,18 | 5 | 180,92 |
| 33,0 | 30,06 | 36,44 | 4 | 145,75 |
| 29,8 | 27,66 | 37,12 | 3 | 111,36 |
| 22,1 | 21,24 | 38,44 | 2 | 76,89 |
| 12,3 | 12,15 | 39,52 | 1 | 39,52 |
| 8,8 | 8,75 | 39,76 | 0 | 0,00 |
На этом же графике построены зависимости моментов сил тяжести (при различном числе подвешенных грузов) от горизонтального отклонения
Отметим, что графики пересекаются под малыми углами, поэтому незначительное изменение параметров, приводит к тому, что точка пересечения смещается достаточно сильно. На приведенном графике наиболее характерными являются ветвь нагрузки и прямая 4 (т.е. для 4 грузов) и ветвь разгрузки с прямой 5. Так учет массы линейки приведет к малому изменению угла наклона прямых, но большому смещению положений равновесия.
В таблице 3 приведены значения горизонтального смещения, снятые с приведенного графика и измеренные экспериментально. Также приведен график этих зависимостей.
Таблица 3.
| 1 | 8,7 | 8,7 |
| 2 | 9,0 | 9,3 |
| 3 | 9,5 | 10,0 |
| 4 | 10,2 | 12,0 |
| 5 | 20,0 | 24,5 |
| 6 | 27,7 | 31,5 |
| 6 | 31,0 | 31,5 |
| 5 | 30,2 | 33,3 |
| 4 | 27,5 | 31,5 |
| 3 | 11,5 | 13,2 |
| 2 | 10,0 | 10,3 |
| 1 | 9,0 | 9,0 |
Получено неплохое соответствие (для такой сложной зависимости). Главная причина расхождений (помимо очевидных погрешностей измерения) является слабая устойчивость и как следствие достаточно резкие переходы от одного положения равновесия к другому. Для подтверждения данного вывода приведем аналогичные графики для другой резинки (все обозначения прежние) – проведите прямые чуть выше и соответствие будет гораздо точнее.
2.4 С помощью построенных графиков рассчитайте значения горизонтального отклонения линейки при различном числе подвешенных грузов (при разгрузке и нагрузке). Постройте график полученной зависимости.
3.1 Проведите измерения горизонтального отклонения линейки
Не забудьте после подвешивания 6 грузов дополнительно деформировать резинку, как и в п.1.1
3.2 Дополните график, построенный в п. 2.4, графиком экспериментальной зависимости. Сравните эти графики, объясните причины возможных расхождений.



