background image

wer. 2014 MT 

 

LABORATORIUM MECHANIKI EKSPERYMENTALNEJ 

Instrukcja do ćwiczenia 

 

 

Wyznaczanie momentów bezwładności elementów 

maszyn metodą podwieszenia trójpunktowego 

Cel 

ć

wiczenia 

Celem 

ć

wiczenia  jest  zapoznanie  z  eksperymentalnymi  metodami  wyznaczania 

momentów  bezwładno

ś

ci  cz

ęś

ci  maszyn  oraz  porównanie  ich  z  metodami 

analitycznymi.  W  ramach  realizowanego 

ć

wiczenia,  wykorzystuje  si

ę

  metod

ę

 

podwieszenia trójpunktowego. 

Literatura 

1.  J.Leyko, Mechanika Ogólna,  tom II. 
2.  K.Zarankiewicz, Mechanika Teoretyczna, tom III, rozdz. X. 

 

Zagadnienia kontrolne 

1.  Definicje masowych  momentów bezwładno

ś

ci bryły sztywnej i układu punktów 

materialnych: 

a) wzgl

ę

dem płaszczyzny,  

b) wzgl

ę

dem osi,  

c) wzgl

ę

dem punktu. 

2. Zale

ż

no

ś

ci pomi

ę

dzy momentami bezwładno

ś

ci w prostok

ą

tnym układzie 

współrz

ę

dnych (np. momentem biegunowym a momentami wzgl

ę

dem trzech 

prostopadłych osi). 
3. Moment dewiacyjny dla układu punktów materialnych i bryły sztywnej 
4. Twierdzenie Steinera dla osi równoległych i umiej

ę

tno

ść

 jego stosowania przy 

wyznaczaniu momentu bezwładno

ś

ci 

5. Masowe momenty bezwładno

ś

ci wzgl

ę

dem osi: walca, pr

ę

ta, prostopadło

ś

cianu, 

płyty prostok

ą

tnej, tarczy kołowej, pier

ś

cienia – wzory i umiej

ę

tno

ść

 stosowania 

6. Promie

ń

 bezwładno

ś

ci i masa zredukowana dla momentów bezwładno

ś

ci  

7. Główne i główne centralne osie bezwładno

ś

ci 

8. Dynamiczne równanie ruchu obrotowego bryły sztywnej  
9. Zale

ż

no

ść

 pomi

ę

dzy cz

ę

sto

ś

ci

ą

 kołow

ą

 a okresem 

10. Analityczne wyznaczenie momentów bezwładno

ś

ci ciała zło

ż

onego z prostych 

elementów  
11. Zasadniczy przebieg 

ć

wiczenia 

 
 

Uwaga! 
 Instrukcja  dotyczy  podstaw  samego 

ć

wiczenia.  Aby  opanowa

ć

  powy

ż

sze 

zagadnienia nale

ż

y si

ę

gn

ąć

 do podanej literatury. 

 

background image

wer. 2014 MT 

 

1. Podstawy teoretyczne dotyczące przeprowadzenia eksperymentu 
 

Rozpatrzymy  swobodne  drgania  obrotowe  układu,  w  którym  na  trzech  jed-

nakowych  niciach  zawieszono  kołow

ą

  tarcz

ę

  o  masie  m

t

.  Układ  ten  pokazano 

schematycznie  na  rys.1.  Tarcza  zawsze  powinna  si

ę

  znajdowa

ć

  w  poło

ż

eniu 

poziomym.  

 

Rys.1. Schemat układu dla metody trójpunktowego podwieszenia 

 

Na  tarczy  kładziemy  element  o  masie  m

e

.  Równanie  dynamiczne  ruchu 

obrotowego układu, składaj

ą

cego si

ę

 z tarczy i badanego elementu, ma posta

ć

 

(

)

0

=

+

+

M

J

J

e

t

ϕ

&

&

   

 

 

 

(1) 

gdzie: J

t

 - moment bezwładno

ś

ci tarczy wzgl

ę

dem osi symetrii prostopadłej do  

      płaszczyzny tarczy, 
J

e

  - moment bezwładno

ś

ci elementu wzgl

ę

dem tej samej osi, 

M - moment, wzgl

ę

dem tej samej osi, sił oddziaływuj

ą

cych na tarcz

ę

 wychylon

ą

 

z poło

ż

enia równowagi, 

ϕ

 - k

ą

t obrotu tarczy.  

Moment sił M mo

ż

na okre

ś

li

ć

 zale

ż

no

ś

ci

ą

 

(

)

ψ

 tg

r

m

m

g

M

e

t

+

=

    

 

 

 

(2) 

 

gdzie: r - odległo

ść

 linki od osi tarczy, 

ψ

 - k

ą

t wychylenia linki. 

Dla małych k

ą

tów (

ψ

 <10°) mo

ż

na przyj

ąć

ż

ψ

ψ

tg

. Wówczas zale

ż

no

ść

 (2) 

przyjmie posta

ć

 

  

 

  (3) 

  

 

(

)

ψ

 

r

m

m

g

M

e

t

+

background image

wer. 2014 MT 

 

Dla małych k

ą

tów mo

ż

na zapisa

ć

 nast

ę

puj

ą

c

ą

 zale

ż

no

ść

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(4) 

 

 
gdzie l – długo

ść

 linki. 

Uwzgl

ę

dniaj

ą

c zale

ż

no

ś

ci (1), (2), (4) , otrzymamy ostateczn

ą

 posta

ć

 równania ruchu 

układu : 

 

(

)

(

)

0

2

=

+

+

+

ϕ

ϕ

l

J

J

r

m

m

g

e

t

e

t

&

&

 

 

 

 

(5) 

 
 

Tak wi

ę

c,  cz

ę

sto

ść

 drga

ń

 własnych układu wynosi: 

 

(

)

(

)

l

J

J

r

m

m

g

e

t

e

t

+

+

=

2

ω

.   

 

 

 

 (6) 

Poniewa

ż

 okres waha

ń

 układu wynosi: 

 

 

ω

π

2

=

T

,  

 

 

 

 

(7) 

 

st

ą

d okres waha

ń

 układu tarczy i elementu na niej spoczywaj

ą

cej wynosi: 

 

(

)

(

)

e

t

e

t

m

m

g

l

J

J

r

T

+

+

=

π

2

   

 

 

 

(8) 

 
Gdy na linkach wisi tylko tarcza, to okres waha

ń

 wynosi: 

 

t

t

t

gm

l

J

r

T

π

2

=

 

 

 

 

 

(9) 

 

Znaj

ą

c okres drga

ń

 T i okres drga

ń

 T

t

 mo

ż

na wyznaczy

ć

 z zale

ż

no

ś

ci (8) i (9) 

moment bezwładno

ś

ci tarczy J

t

 i moment bezwładno

ś

ci J

e

 

l

T

gr

m

J

t

t

t

2

2

2

4

π

=

    

]

[

2

m

kg

 

 

(10a) 

 

 

(

)

t

e

t

e

J

l

m

m

T

gr

J

+

=

2

2

2

4

π

     

]

[

2

m

kg

 

 

(10b) 

ϕ

ψ

l

r

=

ψ

ϕ

τ

l

r

=

background image

wer. 2014 MT 

 

2. Oszacowanie niepewno

ś

ci pomiarowej 

 
Załó

ż

my dalej, 

ż

e niepewno

ś

ci poszczególnych pomiarów s

ą

 niezale

ż

ne i losowe. 

Ogólna  zale

ż

no

ść

  okre

ś

laj

ą

ca  jak  si

ę

  przenosz

ą

  bł

ę

dy  wielko

ś

ci  mierzonych  na 

wyznaczan

ą

  po

ś

rednio  wielko

ść

,  przy  zało

ż

eniu  niezale

ż

no

ś

ci  bł

ę

dów  wielko

ś

ci 

mierzonych, przedstawia si

ę

 nast

ę

puj

ą

co

1

 

2

2

...

+

+

=

z

z

y

x

x

y

y

    

 

 

   (11)

 

 

gdzie  y(x,..z)  jest  wielko

ś

ci

ą

  wyznaczan

ą

  metod

ą

  po

ś

redni

ą

  na  podstawie  pomiaru 

warto

ś

ci x,...z

 
Niepewno

ść

 wyznaczenia J

t

 metod

ą

 po

ś

redni

ą

 mo

ż

na oszacowa

ć

 jako: 

 

2

2

2

2

2

+



+

+





+



=

l

l

J

T

T

J

r

r

J

g

g

J

m

m

J

J

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

   

 

(12) 

gdzie: 

l

T

r

g

m

t

t

,

,

,

,

    s

ą

  niepewno

ś

ciami  pomiarowymi  wielko

ś

ci  mierzonych 

bezpo

ś

rednio:  masy  tarczy,  przyspieszenia  ziemskiego,  odległo

ś

ci  zaczepienia  linki 

do 

ś

rodka tarczy, okresu waha

ń

 tarczy, długo

ś

ci linki. 

 
Ostatecznie  mo

ż

na  zapisa

ć

ż

e  niepewno

ść

  oszacowania  momentu  bezładno

ś

ci 

tarczy wynosi: 

(

) (

)

(

)

(

)



+

+

+

+

=

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

4

l

l

grT

m

T

gr

m

r

gT

m

g

rT

m

m

grT

l

rT

J

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

π

]

[

2

m

kg

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  (13) 

 
Podobnie  oszacowanie  niepewno

ś

ci  wyznaczonego  momentu  bezwładno

ś

ci 

elementu mo

ż

na oszacowa

ć

 jako: 

 

(

) (

) (

) (

)

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

4

t

e

J

l

l

MgrT

T

Mgr

r

MgT

g

MrT

M

grT

l

rT

J

+



+

+

+

+





=

π

 

]

[

2

m

kg

  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(14) 

 
gdzie: 

e

t

m

m

M

+

=

, oraz przyj

ę

to 

t

e

m

m

M

=

=

 

 

 
 
 

                                                            

1

 Aby poszerzyć wiedze z tego zakresu sięgnij po książkę: John R. Taylor; Wstęp do analizy błędu pomiarowego; 

PWN Warszawa 1999 i późniejsze wydania (rozdział 3). 

background image

wer. 2014 MT 

 

3. Przebieg ćwiczenia 
 

 

Zdj

ę

cie  stanowiska  przedstawiono  na  rysunku  2.  Na  stanowisku  znajduje  si

ę

 

przyrz

ą

d,  który  mierzy  czas  i  jednocze

ś

nie  zlicza  10  odsłoni

ęć

  fotoelementu.  Po 

zliczeniu 10 okresów pomiar czasu automatycznie zatrzymuje si

ę

. Nale

ż

y zadba

ć

  o 

to  aby  fotoelement  był  odsłaniany  jednokrotnie  na  okres  ruchu  tarczy.  Do 
przysłaniania fotoelementu słu

ż

y mała blaszka mocowana do tarczy. 

 

 

Rys. 2. Stanowisko do bada

ń

 momentu bezwładno

ś

ci, oraz przyrz

ą

d do pomiaru 

czasu 10 wahni

ęć

 tarczy 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Rys.3. Warianty 

ć

wiczenia 

 

Opis kolejnych kroków, które nale

ż

y wykona

ć

, znajduje si

ę

 w arkuszu sprawozdania. 

Poni

ż

ej zwrócono uwag

ę

 na pewne istotne zagadnienia. 

1. 

Ć

wiczenie  mo

ż

na  wykona

ć

  w  ró

ż

nych  wariantach  wyznaczaj

ą

c  momenty 

bezwładno

ś

ci  ró

ż

nych  elementów.  Wariant 

ć

wiczenia  narzuca  prowadz

ą

cy.  

W  poni

ż

szej  tabeli  przedstawiono  poszczególne  warianty 

ć

wiczenia.  Nie 

zapomnij wpisa

ć

 nr wariantu do arkusza sprawozdania. 

2.  Przy pomiarze czasu 10 –ciu wahni

ęć

 samej tarczy jak i układu tarcza-element 

nale

ż

y  uwa

ż

a

ć

,  aby  maksymalny  k

ą

t  odchylenia  tarczy  nie  przekraczał  kilku 

stopni. 

3.  Element nale

ż

y umie

ś

ci

ć

 na tarczy w ten sposób, aby o

ś

, wzgl

ę

dem której ma 

by

ć

 wyznaczony moment bezwładno

ś

ci, pokrywała si

ę

 z osi

ą

 obrotu tarczy. 

background image

wer. 2014 MT 

 

4.  Zadbaj  o  to  aby  otwory  w  tarczy  i  ruchomej  podstawce  (pod  tarcz

ą

)  były 

osiowe, inaczej tarcza nie b

ę

dzie obraca

ć

 si

ę

 swobodnie. 

5.  Poniewa

ż

 długo

ś

ci linek mog

ą

 nie by

ć

 identyczne, podobnie jak odległo

ś

ci ich 

zamocowania od osi tarczy, nale

ż

y odpowiednie warto

ś

ci u

ś

redni

ć

 z pomiarów 

wykonanych dla wszystkich trzech linek. 

6.  Przy analitycznych obliczeniach momentu bezwładno

ś

ci elementu skorzystaj z 

pomiaru  masy,  wylicz  przybli

ż

on

ą

  obj

ę

to

ść

  i  nast

ę

pnie  g

ę

sto

ść

  materiału.  W 

przypadku  elementów  wykonanych  z  kilku  ró

ż

nych  materiałów  (płytka  2  ze 

zdj

ęć

  powy

ż

ej)  przyjmij  tablicow

ą

  g

ę

sto

ść

  mosi

ą

dzu  (tulejki)  a  g

ę

sto

ść

 

materiału  samej  płytki  wylicz  na  podstawie  okre

ś

lonej  do

ś

wiadczalnie  masy 

odejmuj

ą

c mas

ę

 tulejek.  

7.  Aby  ułatwi

ć

  sobie  zadanie  przy  obliczeniach  analitycznych  mo

ż

esz  do 

pewnego  stopnia  upraszcza

ć

  kształty  elementów  zast

ę

puj

ą

c  je  zło

ż

eniem 

okre

ś

lonych brył. 

8.  Obliczenia  przeprowad

ź

  w  sposób  weryfikowalny  tzn.  wyja

ś

nij  poszczególne 

kroki (nazwij konkretnie to co w danym momencie obliczasz), przedstaw wzór, 
podstawienie i wynik. 

9.  We  wnioskach  nale

ż

y  si

ę

  ustosunkowa

ć

  do  otrzymanych  pomiarów,  a  w 

szczególno

ś

ci  ró

ż

nic  pomi

ę

dzy  otrzymanymi  warto

ś

ciami  uzyskanymi  z 

oblicze

ń

 analitycznych oraz z eksperymentu. Przy porównaniu wyników nale

ż

uwzgl

ę

dni

ć

  otrzymane  oszacowanie  niepewno

ś

ci  pomiarowej.  Dodatkowo 

przeanalizuj jaki bł

ą

d wprowadzasz nie uwzgl

ę

dniaj

ą

c momentu bezwładno

ś

ci 

małej płytki mocowanej do tarczy, słu

żą

cej do zasłonienia fotoelementu.