Решение

Городская олимпиада (3-й этап) 2015 10 класс № Э2

Результаты измерений зависимости удлинения резинки от числа подвешенных грузов при нагрузке и разгрузке приведены в таблице 1. На рис. 1 приведен график полученной зависимости.

Таблица 1. Удлинение одинарной резинки.

Нагрузка Разгрузка
, см , см , см , см
0 22 0 23 1
1 25 3 27 5
2 30 8 34 12
3 37 15 45 23
4 49 27 65 43
5 61 39 81 59
6 71 49 90 68
7 80 58 95 73
8 88 66 97 75
9 94 72 99 77
10 100 78 100 78

Заметные различия в двух кривых объясняются остаточными деформациями резины.

1.2 В качестве независимых от геометрических размеров параметров можно выбрать относительное удлинение и массу, приходящуюся на одну резинку . В Таблице 2 приведены результаты измерений удлинения одинарной и двойной резинок, их относительные удлинения, отношение массы подвешенных грузов к числу резинок.

Таблица 2. Сравнение одинарное и двойной резинок.

Одинарная резинка Двойная резинка
г см см г см см
0 31,5 0 0,000 0 15,00 0,00 0,000
50 34,5 3 0,095 25 16,00 1,00 0,067
100 40,3 8,8 0,279 50 16,80 1,80 0,120
150 52,7 21,2 0,673 75 18,30 3,30 0,220
200 69,8 38,3 1,216 100 20,40 5,40 0,360
250 87,8 56,3 1,787 125 23,20 8,20 0,547
300 104,7 73,2 2,324 150 26,70 11,70 0,780
350 119,2 87,7 2,784 175 30,90 15,90 1,060
400 130,5 99 3,143 200 35,70 20,70 1,380
450 138,8 107,3 3,406 225 40,00 25,00 1,667
500 146 114,5 3,635 250 44,60 29,60 1,973
550 151 119,5 3,794 275 48,70 33,70 2,247
600 155,9 124,4 3,949 300 52,90 37,90 2,527

На рис. 2 приведены графики полученных зависимостей – они практически совпадают.

Традиционно при описании упругих свойств рассматривают зависимость относительной деформации от механического напряжения. Однако в данном случае площадь поперечного сечения, во-первых, изменяется, во-вторых, не известна. Помимо использованной здесь величины можно рассматривать как равноценные: силы тяжести, деленная на число резинок, число грузов, деленное на число резинок.

1.4 -1.5 Для расчета теоретической зависимости удлинения от приложенной силы проще рассчитать обратную зависимость: суммарной силы упругости от деформации.
Пусть длина меньшей части резинки равна (в наших измерениях 12 см), а длина большей (в наших измерениях 18 см). Пусть удлинение сдвоенной резинки равно . Очевидно, что оно совпадает с удлинением меньшей части резинки . Удлинение большей части рассчитывается по формуле

Если в расчетах по этой формуле получается отрицательная величина, то ее следует положить равной нулю (т.к. резинка еще не деформирована). Далее следует рассчитать относительные деформации каждой частей резинок.

Затем с помощью тщательно построенного графика зависимости силы упругости от относительной деформации (по данным таблицы 2 (рис. 3) можно найти значения сил упругости каждой из частей резинок. Сумма этих сил равна приложенной силе тяжести. Формально эта процедура описывается формулой

Где - экспериментальная зависимость силы упругости одной резинки от ее относительной деформации. Результаты расчетов зависимости приведены в Таблице 3 и на рис. 4
Таблица 3.

dl, см eps1 eps2 F₁ F₂ F,г
5 0,42 -0,06 117 0 117
10 0,83 0,22 165 84 249
15 1,25 0,50 203 128 331
20 1,67 0,78 239 160 399
25 2,08 1,06 278 185 463
30 2,50 1,33 319 210 529
35 2,92 1,61 368 421 790

Результаты измерений оказываются близкими к рассчитанной зависимости.