Maria Nowotny-Różańska

Zespół Fizyki, Akademia Rolnicza

do użytku wewnętrznego

ĆWICZENIE 5

Wyznaczanie przyśpieszenia ziemskiego

przy pomocy wahadła matematycznego i fizycznego

Kraków, 10 06 1996

Spis treści:

I. CZĘŚĆ TEORETYCZNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1. Prędkość i przyśpieszenie w ruchu postępowym . . . . . . 2

2. Ruch obrotowy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

3. Prawo grawitacji . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

4. Przyśpieszenie ziemskie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

5. Ruch harmoniczny . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

6. Wahadło matematyczne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9

7. Wahadło fizyczne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11

II. CEL ĆWICZENIA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14

III.WYKONANIE ĆWICZENIA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14

IV. OPRACOWANIE WYNIKÓW . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

Spis literatury . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

I. CZĘŚĆ TEORETYCZNA

Prędkość i przyśpieszenie w ruchu postępowym

Prędkość (oznaczana literą v) jest to miara szybkości zmian położenia ciała. Jest to wielkość wektorowa, (tzn. posiada wartość, kierunek, zwrot ). Podstawową jednostką prędkości w układzie SI jest m/s. Wyróżniamy prędkość średnią, która odpowiada dowolnemu, skończonemu przedziałowi czasu Dt, oraz prędkość chwilową, gdy Dt dąży do zera:

(1)

Przyśpieszenie (oznaczane literą ) jest miarą szybkości zmian prędkości ciała zachodzących w czasie. Przyśpieszenie jest również wielkością wektorową, a jego jednostką jest m/s2. Podobnie jak w przypadku prędkości, rozróżniamy przyśpieszenie średnie dla dowolnego, skończonego przedziału czasu Dt, oraz przyśpieszenie chwilowe, gdy Dt dąży do zera:

(2)

Korzystając z definicji prędkości chwilowej, możemy przyśpieszenie zapisać jako drugą pochodną drogi po czasie:

(3)

Ruch obrotowy

Bryła sztywna porusza się ruchem obrotowym wokół pewnej osi, jeśli wszystkie punkty tego ciała poruszają się po współosiowych okręgach leżących w płaszczyznach prostopadłych do osi obrotu. Każda zmiana w ruchu obrotowym spowodowana jest przyłożeniem do bryły sztywnej siły , dającej niezerowy moment siły w kierunku osi obrotu. Momentem siły , nazywamy iloczyn wektorowy ramienia siłyoraz siły:

(4)

gdzie jest wektorem leżącym na osi obrotu. (Rys.1).

Rys.1. Bryła sztywna z zaznaczoną przyłożoną siłą, ramieniem siły i wektorem momentu siły.

Zgodnie z I - szą zasadą dynamiki Newtona dla ruchu obrotowego jeśli momenty wszystkich sił działających na ciało (bryłę sztywną) równoważą się wzajemnie, to ciało pozostaje w spoczynku lub porusza się ruchem obrotowym jednostajnym (tzn ze stałą co do wielkości i kierunku prędkością kątową).

Natomiast wg II-giej zasady dynamiki Newtona jeśli na ciało działa niezrównoważony moment siły, to ciało porusza się ruchem obrotowym jednostajnie zmiennym z przyśpieszeniem kątowym , które jest wprost proporcjonalne do wartości tego momentu, a odwrotnie proporcjonalne do momentu bezwładności I:

(5)

Przyśpieszenie kątowe jest miarą szybkości zmian prędkości kątowej ciała zachodzących w czasie. Jest to wektor leżący na osi obrotu .Rozróżniamy przyśpieszenie kątowe średnie dla dowolnego, skończonego przedziału czasu, oraz przyśpieszenie chwilowe, gdy dąży do zera:

(6)

Aby obliczyć moment bezwładności I należy podzielić bryłę sztywną na bardzo wiele (N) elementów o masach m_i (Rys.2). Każdy z nich jest odległy od osi obrotu bryły o r_i. Moment bezwładności wyrazi się wtedy wzorem:

Rys.2. Bryła sztywna z zaznaczoną osią obrotu, elementami masy mi oraz

ich odległościami ri od osi obrotu.

Wprowadzając znak S powyższą sumę możemy zapisać następująco:

Moment bezwładności ciała zależy zarówno od kształtu bryły sztywnej jak i od położenia osi obrotu. Jeśli znamy moment bezwładności bryły I_S względem osi przechodzącej przez środek ciężkości bryły, to możemy, korzystając z twierdzenia Steinera, znależć moment bezwładności I względem dowolnej osi równoległej do poprzedniej. Jest on równy:

I = I_S + md² (7)

gdzie d oznacza odległość pomiędzy osią przechodzącą przez środek ciężkości S oraz nową osią. (Rys.3)

Rys.3. Ilustracja twierdzenia Steinera.

Prawo grawitacji

Każde dwa ciała przyciągają się z siłą grawitacji , której wartość jest wprost proporcjonalna do iloczynu mas tych ciał m₁, m₂, a odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości pomiędzy nimi:

(8)

gdzie G jest współczynnikiem proporcjonalności zwanym stałą grawitacji i wynosi 6.67 10-11Nm2/kg2. Kierunek siły pokrywa się z linią łączącą środki mas m1 i m2.

Jeśli rozpatrzymy układ obejmujący Ziemię (M) oraz badane ciało (m) znajdujące się na powierzchni Ziemi, to siłę grawitacji możemy zapisać wzorem:

gdzie R jest promieniem Ziemi. Wzór ten można zapisać w innej postaci:

(9)

gdzie ggr jest wielkością stałą w danym punkcie Ziemi, i nosi nazwę przyśpieszenia grawitacyjnego. Wartość przyśpieszenia grawitacyjnego na powierzchni Ziemi nie jest stała, gdyż Ziemia jest nieco spłaszczona na biegunach i ma kształt zbliżony do elipsoidy.

Przyśpieszenie ziemskie

Na każde ciało znajdujące się w polu ciężkości Ziemi działa siła ciężkości (inaczej zwana ciężarem ciała), która nadaje ciału przyśpieszenie zwane przyśpieszeniem ziemskim:

(10)

Przyśpieszenie ziemskie jest to zatem takie przyśpieszenie, z którym poruszają się wszystkie ciała swobodnie spadające na powierzchnię Ziemi, bez względu na swoją masę.

Siła ciężkości jest wypadkową kilku sił, wśród których dominuje siła grawitacji. Niewielki udział mają również siła odśrodkowa i siła wyporu powietrza. Siła odśrodkowa Fo, działająca na ciała znajdujące się na powierzchni Ziemi, jest skutkiem ruchu obrotowego Ziemi wokół własnej osi. Wartość siły odśrodkowej działającej na ciało o masie m zależy od prędkości kątowej w (która jest stała we wszystkich punktach Ziemi) oraz odległości r danego ciała od osi obrotu Ziemi. Kierunek siły odśrodkowej jest zawsze prostopadły do osi obrotu Ziemi, a jej wartość rośnie w miarę przesuwania się od bieguna, gdzie wynosi zero, do równika, gdzie przyjmuje wartość maksymalną.

Siła odśrodkowa jest mała w porównaniu z siłą grawitacji Ziemi. Nawet na równiku stosunek tych dwóch sił wynosi zaledwie 1:288. Przyśpieszenie ziemskie dla Krakowa wynosi 9.981 m/s2.

Wartość siły ciężkości związana jest również z budową wewnętrzną Ziemi, a w szczególności z budową skorupy ziemskiej. Nauka, która bada związek siły ciężkości (i przyśpieszenia ziemskiego) z figurą i budową wewnętrzną Ziemi nazywa się grawimetrią. Precyzyjny pomiar siły ciężkości w różnych punktach Ziemi dostarcza informacji o rozkładzie gęstości ośrodka w rejonie obserwacji, umożliwiając badania struktur geologicznych i poszukiwanie złóż kopalin. Podstawową wielkością mierzoną w grawimetrii jest przyśpieszenie ziemskie. Jego wartość można zmierzyć m.in. przy pomocy wahadła matematycznego, fizycznego czy bardziej skomplikowanych przyrządów zwanych grawimetrami.

Ruch harmoniczny

Ruch harmoniczny jest ruchem drgającym, odbywającym się pod wpływem siły F, która w każdej chwili jest wprost proporcjonalną do wychylenia x ciała z położenia równowagi:

(11)

gdzie k jest współczynnikiem proporcjonalności. Poprzez wychylenie rozumiemy odległość drgającego ciała od położenia równowagi. Znak minus oznacza, że zwrot siły jest przeciwny do kierunku wychylenia.

Przykładem ciała poruszającego się ruchem harmonicznym może być ciężarek drgający na sprężynie (Rys.4). Jego drgania odbywają się pod wpływem siły sprężystości sprężyny. Siła ta zgodnie z prawem Hooke'a jest wprost proporcjonalna do wydłużenia sprężyny.

Rys.4. Ciężarek zawieszony na sprężynie w różnych fazach drgań.

Korzystając z II - giej zasady dynamiki Newtona i różniczkowej definicji przyśpieszenia (3), równanie ruchu harmonicznego (11) można przedstawić następująco:

(12)

Rozwiązaniem powyższego równania różniczkowego jest funkcja okresowa w postaci:

(13)

gdzie A i f_o to stałe całkowania. A jest amplitudą, tzn. maksymalnym wychyleniem z położenia równowagi, zaś f_o - fazą początkową. Wyrażenie (wt+f) jest fazą drgania harmonicznego. Wielkość w nazywana jest częstością drgania harmonicznego i związana jest z okresem drgań T następująco:

(14)

Okres drgań T jest to czas jednego pełnego drgnienia.

Częstotliwość ruchu harmonicznego f jest to liczba pełnych drgań zachodzących w jednostce czasu.

(15)

Korzystając ze wzorów (1), (3) i (13) możemy wyliczyć prędkość i przyśpieszenie w ruchu harmonicznym:

(16)

Gdy cos(wt+fo)=1, prędkość przyjmuje wartość maksymalną vmax:

Zatem ciało posiada prędkość maksymalną gdy sin(wt+fo)=0, tzn, gdy przechodzi przez położenie równowagi.

Przyśpieszenie w ruchu harmonicznym wyraża się wzorem:

(17)

Ciało posiada maksymalne przyśpieszenie, gdy sin(wt+jo)=1, tzn, gdy ciało znajduje się w odległości A od położenia równowagi.

Korzystając z równania ruchu harmonicznego (11), oraz ze wzoru na przyśpieszenie (17), możemy znależć związek pomiędzy współczynnikiem k i częstością ruchu harmonicznego w.

(18)

Wahadło matematyczne

Wahadłem matematycznym nazywamy wyidealizowany twór, utworzony z punktu materialnego zawieszonego na nieważkiej i nierozciągliwej nici. Gdy punkt materialny wychylimy z położenia równowagi będzie on wykonywał wahania wokół położenia równowagi O. (Rys.5).

Rys.5. Wahadło matematyczne.

Na punkt materialny działa siła ciężkości skierowana pionowo w dół. Gdy punkt wychylimy z położenia równowagi, siłę Q=mg możemy rozłożyć na składową N, która wywołuje naprężenie nici, oraz na składową Fs styczną do toru, która powoduje ruch wahadła. Z rys. 5 widać, że:

Dla małych kątów a możemy w przybliżeniu zapisać:

Wyrażając kąt a w mierze łukowej a=x/l, (gdzie x jest równe długości łuku OA (rys.8), siłę FS możemy zapisać:

(19)

l

Widać, że dla małych kątów a siła ta jest wprost proporcjonalna do wychylenia x z położenia równowagi, a więc jest siłą harmoniczną. Ruch punktu materialnego wokół położenia równowagi jest więc ruchem harmonicznym. Możemy zatem zapisać:

Korzystając ze wzorów (14) oraz (18) dostajemy:

Po przekształceniu otrzymujemy wzór na okres drgań wahadła matematycznego:

(20)

Wahadło fizyczne

Wahadło fizyczne jest to bryła sztywna zawieszona na poziomej osi O umieszczonej powyżej środka ciężkości bryły S (Rys.6).

Rys.6. Bryła sztywna z zaznaczoną osią obrotu O i środkiem ciężkości S.

Jeśli wychylimy wahadło z położenia równowagi o mały kąt a, to działa na niego moment siły ciężkości względem osi obrotu O:

(21)

gdzie d oznacza ramię siły ciężkości.

Podobnie jak dla wahadła matematycznego, czynimy założenie, że dla małych kątów a:

gdzie x jest to wychylenie środka ciężkości S z położenia równowagi. Zatem moment siły ciężkości wyraża się wzorem:

(22)

Korzystając ze wzorów (5) i (17) można zapisać dla wahadła fizycznego:

(23)

Porównując dwa ostatnie równania otrzymujemy:

Po przekształceniu znajdujemy wzór na okres drgań wahadła fizycznego dla małych kątów a:

(24)

Rozważymy teraz dwa przykłady wahadeł fizycznych:

1. Wahadło fizyczne - obręcz

Dla obręczy moment bezwładności względem osi obrotu przechodzącej przez środek ciężkości S i prostopadłej do płaszczyzny obręczy (Rys.7) wynosi:

(25)

gdzie r jest to promień obręczy, a m jej masa.

Rys.7, Wahadło fizyczne - obręcz. O - punkt, przez który przechodzi oś obrotu.

Korzystając z twierdzenia Steinera (7) możemy obliczyć moment bezwładności względem osi przechodzącej przez punkt O:

W przypadku obręczy d=r, więc:

.

Podstawiając I_O do wzoru na okres drgań wahadła fizycznego (24) dostaniemy:

(26)

2. Wahadło fizyczne - pręt

Pręt zawieszamy na niewielkim pryzmacie (którego masę zaniedbujemy w obliczeniach), umieszczonym w odległości d od środka ciężkości pręta (Rys.8).

Rys.8. Wahadło fizyczne - pręt.

Moment bezwładności pręta względem osi prostopadłej do niego i przechodzącej przez środek ciężkości S wyraża się wzorem:

(27)

gdzie m jest to masa pręta, a l jego długość. W oparciu o twierdzenie Steinera (7) znajdujemy moment bezwładności pręta względem osi przechodzącej przez punkt O, a następnie korzystając ze wzoru (24), okres drgań:

(28)

II. CEL ĆWICZENIA

Celem ćwiczenia jest wyznaczenie przyśpieszenia ziemskiego przy pomocy wahadła matematycznego i fizycznego.

III. WYKONANIE ĆWICZENIA

A. Pomiar przyśpieszenia ziemskiego przy pomocy wahadła matematycznego.

1. Mierzymy linijką długość l nici wahadła.

2. Przy pomocy suwmiarki mierzymy średnicę d kulki.

3. Wychylamy kulkę z położenia równowagi o niewielki kąt i delikatnie puszczamy. Jeżeli drgania kulki zachodzą w płaszczyżnie, a nić nie uderza o ograniczniki, rozpoczynamy stoperem pomiar czasu trwania 100 okresów.

4. Pomiary opisane w punktach 1-3 powtarzamy dla trzech różnych długości nici.

B. Pomiar przyśpieszenia ziemskiego przy pomocy wahadła fizycznego - obręczy.

1. Zdejmujemy obręcz ze statywu. Mierzymy linijką conajmniej 5 razy średnicę zewnętrzną obręczy w różnych miejscach. Następnie mierzymy dokładnie taką samą ilość razy średnicę wewnętrzną. Obliczamy średnią arytmetyczną z tych pomiarów i otrzymaną liczbę dzielimy przez dwa. W ten sposób znajdujemy średni promień r, równy odległości d od środka ciężkości do osi obrotu.

2. Wychylamy obręcz z położenia równowagi i mierzymy stoperem czas trwania 100 okresów.

C. Pomiar przyśpieszenia ziemskiego przy pomocy wahadła fizycznego - pręta.

1. Zdejmujemy pręt ze statywu i zmierzymy jego długość l.

2. Mierzymy odległość osi obrotu (ostrze pryzmatu) do końca pręta i obliczamy odległość od osi obrotu do środka ciężkości d (przy szukaniu środka ciężkości nie uwzględniać masy pryzmatu.

3. Mierzymy stoperem czas trwania 50 okresów.

IV. OPRACOWANIE WYNIKÓW

A.

1. Obliczyć długość wahadła matematycznego jako sumę długości nici l i promienia kulki d/2.

2. Znależć okres T jako czas pomiaru stu okresów podzielony przez 100.

3. Obliczyć przyśpieszenie ziemskie g ze wzoru:

(29)

podstawiając do niego wyliczoną długość wahadła l i okres T. Wzór (29) powstał z przekształcenia wzoru (20).

4. Obliczyć w ten sam sposób przyśpieszenie ziemskie dla pozostałych długości wahadła.

5. Dla jednej, wybranej długości wahadła, obliczyć błąd przyśpieszenia ziemskiego metodą logarytmiczną lub metodą różniczki zupełnej. Błędy Dl i DT oszacować 6).jako błedy maksymalne pojedynczego pomiaru.

B.

1. Obliczyć przyśpieszenie ziemskie g ze wzoru:

(30)

podstawiając do niego obliczoną wartość r i T. Wzór (30) powstał z przekształcenia wzoru (26) na okres drgań wahadła fizycznego - obręczy.

C.

1. Obliczyć przyśpieszenie ziemskie g ze wzoru:

(31)

podstawiając wyznaczone wartości d, l i T. Wzór (31) powstał z przekształcenia wzoru (28) na okres drgań wahadła fizycznego - pręta.

2. Obliczyć błąd przyśpieszenia ziemskiego metodą różniczki zupełnej. Błędy Dl i Dd i DT przyjąć jako błędy maksymalne pojedynczego pomiaru.

LITERATURA UZUPEŁNIAJĄCA

1. Dryński Tadeusz., Ćwiczenia laboratoryjne z fizyki, PWN,

Warszawa 1978

2. Encyklopedia Fizyki., PWN, Warszawa 1974

3. Halliday D., Resnick R., Fizyka Tom 1, PWN, Warszawa 1974

4. Szczeniowski S., Fizyka Doświadczalna, Tom III, PWN, Warszawa

1980

4

4

---