background image

Ć w i c z e n i e  4

WYZNACZENIE PRZYSPIESZENIA ZIEMSKIEGO ZA 

POMOCĄ WAHADŁA REWERSYJNEGO

        

Cel ćwiczenia - wyznaczyć lokalną wartość przyspieszenia grawitacyjnego.

Sposób wykonania pomiarów pozwala uzyskać 3 zestawy danych pomiarowych. 

4.1 Opis teoretyczny

         Wahadłem fizycznym nazywamy ciało sztywne wahające się wokół poziomej osi obrotu
O pod wpływem siły ciężkości (rys. 4.1). Oś obrotu nie może pokrywać się ze środkiem cięż-
kości wahadła S, bo wówczas drganie by nie występowało. Okres drgań wahadła fizycznego 
opisuje teoretycznie zależność :

a

g

m

I

π

2

T

=

                                                         (4.1)

gdzie:

a – odległość między osią zawieszenia i środkiem ciężkości, 

I – moment bezwładności wahadła

Chcąc na bazie powyższego wzoru wyznaczyć przyśpieszenie ziemskie g należy oprócz 

okresu drgań T i masy wahadła m (które można zmierzyć bezpośrednio) znać również wielko-
ści a  oraz I (których pomiar jest kłopotliwy). Aby tych trudności uniknąć, w ćwiczeniu stosu-
jemy wahadło fizyczne o dwóch osiach obrotu (O

1

 , O

2

) umieszczonych po przeciwnych stro-

nach środka ciężkości S (rys. 4.2). Jest to tzw. wahadło rewersyjne dla którego okresy drgań 
są takie same dla obu zawieszeń wahadła. 

Jeżeli punkt O

1

 (rys. 4.2) jest punktem zawieszenia, to okres wahań

a

g

m

I

π

2

T

1

1

=

                                                         (4.2)

gdzie I

1

 jest momentem bezwładności wahadła względem osi O

1

Analogicznie dla drugiej osi obrotu okres wahań

b

g

m

I

π

2

T

2

2

=

                                                         (4.3)

gdzie:

I

2

 – moment bezwładności wahadła względem osi O

2

,

b – odległość między drugą osią zawieszenia a środkiem ciężkości

Na podstawie twierdzenia Steinera o momentach bezwładności wiemy, że:

background image

2

S

1

a

m

I

I

+

=

                                                       (4.4)

2

S

2

b

m

I

I

+

=

gdzie I

S

 jest momentem bezwładności wahadła względem osi przechodzącej przez środek cięż-

kości.

          

          

Rys. 4.1. Wahadło fizyczne.                       Rys. 4.2. Dwuosiowe wahadło fizyczne.

Dla wahadła rewersyjnego okresy T

1

  i T

2

  są równe. Wtedy za (4.2) i (4.3) mamy 

b

I

a

I

2

1

=

Uwzględniając (4.4) otrzymujemy 

b

b

m

I

a

a

m

I

2

S

2

S

+

=

+

 czyli:

0

)

ab

m

I

)(

a

-

b

(

S

=

                                            (4.5)

Przypadek, gdy b=a nic nie mówi o wzajemnym położeniu osi  O

1

 , O

2  

i może zajść, gdy mamy 

ciało zarazem sztywne i symetryczne. Natomiast z równania 

0

ab

m

I

S

=

 mamy:

b

a

 

m

I

S

=

                                                        (4.6)

Po podstawieniu (4.4) i (4.6) do (4.2) otrzymujemy zależność:

g

l

π

2

g

a)

(b

π

2

a

g

m

a)

(b

a

m

π

2

a

g

m

a

m

I

π

2

T

T

T

zr

2

S

2

1

=

+

=

+

=

+

=

=

=

                 (4.7)

background image

Wielkość l

zr

 nazywamy długością zredukowaną wahadła rewersyjnego i jak widać z (4.7) jest 

ona równa l

zr

=a+b czyli odległości między osiami obrotu wahadła którą można łatwo zmierzyć 

liniałem.

Widzimy więc, że okres wahań wahadła zawieszonego na osi O

1

 jest równy okresowi wahań 

tego wahadła zawieszonego w punkcie O

2

 odległym od punktu O

1

 o długość zredukowaną. Na 

tej podstawie zarysowała się idea prostego i dokładnego pomiaru

 

przyspieszenia ziemskiego, 

bez wyznaczania I

S  

, m oraz położenia środka ciężkości tylko przez łatwy pomiar odległości 

między osiami obrotu oraz okresu T. 

Jak jednak praktycznie znaleźć osie, dla których jest słuszny warunek 
(4.6) mając bryłę o zadanym już kształcie, a więc o z góry ustalanym 
położeniu środka  masy S oraz wartościach I i m? Praktycznie przesu-
wanie osi obrotu jest bardzo trudne. Znacznie łatwiej postąpić odwrot-
nie  -   zamocować   na  stałe  obie  osie,   zmieniać  zaś   położenie  środka 
masy, a wraz z nim I

S

 aż do spełnienia warunku T

1

 = T

2 .

Tak też postę-

pujemy w ćwiczeniu (rys 4.3). Na pręcie mającym na stałe zainstalowa-
ne dwie osie obrotu  umieszczamy (między osiami) ciężarek nadziany 
wcześniej na pręt. Przesuwając ciężarek wzdłuż pręta i mierząc okresy 
względem obu osi poszukujemy sytuacji, w której T

1

 = T

2

Aby doświadczalnie wykluczyć sytuację, w której b = a wprowadza się 
dużą asymetrię wstępną wahadła zwykle poprzez dodatkowe jeden lub 
dwa przesuwalne ciężarki umieszczone poza osiami. Sprawdzimy jesz-
cze, czy dla takiego wahadła na pewno będzie istniało między osiami 
położenie ciężarka, przy którym zajdzie oczekiwana sytuacja, czyli 
związek (4.6). Możemy go zapisać w postaci:

(

)

m

I

a

l

a

S

zr

=

                                                              (4.8)

Przesunięcie ciężarka zmienia niewiadomą "a" w równaniu, ale również 
wpływa na wartość I

S

. Ponieważ lewa strona równania (4.8) ma postać 

równania drugiego stopnia, ogólnie można spodziewać się dwóch roz-
wiązań dla a, czyli dwóch różnych wartości położenia soczewki, przy 
których pełnienie warunku (4.6) umożliwia obliczenie przyśpieszenia 
ziemskiego (rys. 4.4). To jednak, czy rozwiązania takie będą istniały za-
leży od konkretnych wartości I

S

 Należy zaznaczyć, że pomiary należy 

wykonywać przy małych amplitudach wychyleń wahadła (nie większych 
niż 5

0

-10

0

). Tylko wtedy spełnione będzie przybliżenie, że wahadło wy-

konuje drgania harmoniczne.

Rys. 4.3. Laboratoryjny model wahadła fizycznego.

                   

background image

   

Rys.4.4. Zależność okresu wahań od położenia soczewki wahadła.

4.2. Układ pomiarowy

Zestaw pomiarowy składa się z wahadła fizycznego o dwu osiach obrotu (podobnego do tego 
z (rys. 4.3)) oraz układu elektronicznego pozwalającego mierzyć czas określonej, pełnej liczby 
wahań wahadła.

4.3. Wykonanie pomiarów

1. Zawiesić wahadło na osi O

1    

i dokonać pomiaru kilku - kilkunastu okresów jego drgań 

zmieniając położenie środkowego ciężarka w dostępnym zakresie długości wahadła, np.:

9 okresów, zmieniając położenie ciężarka co 100 mm od 100 mm do 900 mm, albo

15 okresów, zmieniając położenie ciężarka co 50 mm od 150 mm do 850 mm. 

2. Zapisać wyniki pomiarów z punktu 1 w formie tabeli.

3. Zawiesić wahadło na osi O

2  

i dokonać pomiaru okresów jego drgań przy tych samych od-

ległościach środkowego ciężarka od osi obrotu co w punkcie 1.

4. Zapisać wyniki pomiarów z punktu 3 w formie tabeli.

5. Naszkicować, analogicznie do (rys. 4.4), zależności okresów T

1

 oraz T

od odległości cię-

żarka od osi obrotu wykorzystując dane z tabel z punktów 2 i 4 zapisanych np. w formie:

Odległość od osi obrotu  [mm] 100 200 300 400 500 600 700 800 900

czas T

[s]

czas T

2

 [s]

6. Zorientować się, w których miejscach otrzymane na wspólnym wykresie krzywe przecinają 

się (pomiędzy którymi punktami pomiarowymi). Przecięcia te umownie oznaczamy jako 
Lewe oraz Prawe.

background image

7. Zawiesić wahadło na osi O

1  

i dokonać pomiaru kilku okresów jego drgań zmieniając poło-

żenie środkowego ciężarka w pobliżu Lewego punktu przecięcia się krzywych T

1  

i T

. Na-

leży starać się by punkt przecięcia krzywych  z (rys. 4.4) leżał w pobliżu środka badanego 
przedziału. Zmierzyć np. 11 okresów, zmieniając położenie ciężarka co np. 10 mm.

7.a.   Jeżeli   ćwiczenie   wykonuje   zespół   wykonać   analogiczne   pomiary   w  pobliżu   Prawego 
       punktu przecięcia się krzywych T

1  

i T

2

. Pomiary te posłużą drugiemu z członków zespołu 

       do opracowania ćwiczenia.

8. Zawiesić wahadło na osi O

2  

i dokonać analogicznych pomiarów jak w punkcie 7 dla Lewe-

go punktu przecięcia się krzywych T

1  

i T

.

8.a.   Jeżeli   ćwiczenie   wykonuje   zespół   wykonać   analogiczne   pomiary   w  pobliżu   Prawego 
       punktu przecięcia się krzywych T

1  

i T

2

.

9. Jeżeli zespół liczy trzy osoby, to w punkcie 7 i 7.a wykonujemy więcej pomiarów mierząc 

np. 15 okresów. Trzecia osoba wykonuje opracowanie w oparciu o 11 pomiarów (tak jak 
osoba pierwsza), ale bez uwzględniania 4-ch punktów ze środka przedziału.

10. Zmierzyć długość zredukowaną wahadła l

zr

.

11. Oszacować niepewności pomiaru czasu 

T i długości zredukowanej 

l

zr 

.

4.4. Opracowanie wyników pomiarów

1. Każdy ćwiczący wykonuje opracowanie dla swojego zestawu danych pomiarowych.

2. Wykreślić, otrzymane przy zagęszczonych położeniach ciężarka, zależność czasów T

1  

i T

od położenia ciężarka względem osi obrotu. Obie krzywe (T

1   ,

  T

2

) przybliżyć prostymi 

wyznaczonymi metodą najmniejszych kwadratów Gaussa: 

b

x

a

y

+

=

 gdzie

=

=

=

=

=

=

n

i

i

n

i

i

n

i

i

i

n

i

i

n

i

i

x

n

x

y

x

n

y

x

a

1

2

2

1

1

1

1

)

(

        

=

=

=

=

=

=

=

n

i

i

n

i

i

n

i

i

n

i

i

n

i

i

i

n

i

i

x

n

x

x

y

y

x

x

b

1

2

2

1

1

2

1

1

1

 

3.  Wyznaczyć punkt przecięcia prostych i odczytać wartość T

0

 = T

1  

= T

4. Oszacować niepewność  

T

0  

wyznaczenia T

0

  z wykresu z uwzględnieniem wartości nie-

pewności 

T bezpośredniego pomiaru czasu.

3.a. Zadanie dla chętnych - wyznaczyć analitycznie niepewność 

T

.

5. Korzystając ze wzoru (4.7) w postaci 

g

l

π

2

T

zr

0

=

 wyznaczyć wartość lokalnego przy-

spieszenia grawitacyjnego g.

6. Obliczyć niepewność 

g według wzoru 





+

=

0

0

zr

zr

T

T

2

l

l

g

g

Uwagi do analizy wyników:

background image

podać wyznaczoną wielkość g oraz jej niepewność 

g,

podać niepewność względną 

g/g,

podać procentowy wpływ niepewności składowych 

l

zr  

oraz 

T

0  

 na wartość niepew-

ności wyznaczonej 

g ,

podać wartość teoretyczną g

teoretyczne 

,

na podstawie w/w wartości, opracowanych tabel i wykresów oraz własnych spostrze-
żeń wyciągnąć wnioski co do przyczyn występowania błędów grubych, systematycz-
nych i przypadkowych.

4.5. Przykładowe pytania kontrolne

1. Co nazywamy długością zredukowana wahadła fizycznego ?

2. Jak brzmi twierdzenie Steinera ?

3. Jaką przewagę ma pomiar przyspieszenia ziemskiego za pomocą wahadła rewersyjnego 

nad pomiarem za pomocą wahadła fizycznego?

4.

Jakiego rzędu różnice wysokości (nad poziom morza) punktów w których dokonywane są 
pomiary będą miały wpływ na wynik wyznaczanego przyspieszenia ziemskiego?

5. Dlaczego amplituda kątowa wahań wahadła nie powinna być większa niż 10°?

6.

Jak zależy wartość g od szerokości, długości geograficznej, odległości od środka Ziemi 
(przybliżenie - Ziemia to kula)?

L i t e r a t u r a

[1] Szczeniowski S.: Fizyka doświadczalna, cz. I; Mechanika i akustyka. PWN, Warszawa 
1972.

[2] Piekara A.: Mechanika ogólna. PWN, Warszawa 1973.