background image

LABORATORIUM MECHANIKI EKSPERYMENTALNEJ 

Instrukcja do 

ć

wiczenia 

 

 

Wyznaczenie energii mechanicznej w ruchu płaskim 

Cel 

ć

wiczenia 

Celem 

ć

wiczenia jest wyznaczenie energii mechanicznej kr

ąż

ka poruszaj

ą

cego si

ę

 

po krzywoliniowym torze.  

Literatura 

1.

  Z. Engel, J. Giergiel  Mechanika Ogólna,  tom II,  rozdz. 10 i 11. 

2.

  J. Misiak, Mechanika Ogólna , tom II, rozdz. 22. 

 
Zagadnienia kontrolne 

1.  Co to s

ą

 siły zachowawcze? 

2.  Przykłady sił zachowawczych  
3.  Praca siły 
4.  Energia potencjalna 
5.  Energia kinetyczna  
6.  Energia mechaniczna 
7.  Energia kinetyczna bryły w ruchu płaskim 
8.  Zasada zachowania energii 
9.  Zasada zachowania energii mechanicznej  
10.  Praca sił zewn

ę

trznych 

11.  Moment bezwładno

ś

ci tarczy kołowej 

12. Ruch płaski bryły sztywnej 
 

Uwaga. W opracowaniu podano tylko wybrane zagadnienia zwi

ą

zane bezpo

ś

rednio z 

ć

wiczeniem.  Aby  wyczerpa

ć

  temat  w  zakresie  podanych  zagadnie

ń

  kontrolnych 

nale

ż

y si

ę

gn

ąć

 do podanej literatury lub innych ksi

ąż

ek dotycz

ą

cych dynamiki. 

Podstawy teoretyczne dotycz

ą

ce bezpo

ś

rednio 

ć

wiczenia 

Zasada  zachowania  całkowitej  energii  układu  mówi, 

ż

e  zmiana  całkowitej 

energii  układu  jest  równa  energii  dostarczonej  do  układu  lub  od  niego  odebranej. 
Je

ś

li 

ż

adna  energia  nie  zostanie  do  układu  dostarczona  ani  od  niego  odebrana,  to 

całkowita energia układu musi pozosta

ć

 niezmienna. 

Je

ż

eli  nad  układem  wykonana  zostanie  praca  sił  zewn

ę

trznych,  to  zasad

ę

 

zachowania energii mo

ż

na opisa

ć

 równaniem: 

wewn

term

mech

E

E

E

W

+

+

=

 

gdzie:  W  –  praca  sił  zewn

ę

trznych, 

mech

E

-  zmiana  energii  mechanicznej  układu, 

term

E

-  zmiana  energii  termicznej, 

wewn

E

-  zmiana  innych  rodzajów  energii 

wewn

ę

trznej układu. 

Powy

ż

sza  zasada  nie  została  wyprowadzona  z  podstawowych  aksjomatów  i  praw 

fizyki, ale wynika ona z niezliczonych do

ś

wiadcze

ń

.  

Je

ż

eli układ jest izolowany i energia nie mo

ż

e zosta

ć

 do niego dostarczona w 

ż

adnej 

formie to mo

ż

emy zapisa

ć

:   

0

=

+

+

wewn

term

mech

E

E

E

 

background image

gdzie: 

1

2

mech

mech

mech

E

E

E

=

,

  wska

ź

niki  1  i 2  odnosz

ą

  si

ę

  do  dwóch  rozpatrywanych 

chwil czasowych, np. przed i po zaj

ś

ciu jakiego

ś

 procesu. 

Cho

ć

  wewn

ą

trz  układu  izolowanego  mo

ż

e  zachodzi

ć

  wiele  zmian  energii    (np.  z 

potencjalnej  na  kinetyczn

ą

,  z  kinetycznej  na  termiczn

ą

  itp.),  to  jednak  suma 

wszystkich rodzajów energii musi pozosta

ć

 stała. 

Powy

ż

sze mo

ż

emy zapisa

ć

 jako: 

0

1

2

=

+

+

wewn

term

mech

mech

E

E

E

E

 

St

ą

d:

 

wewn

term

mech

mech

E

E

E

E

=

1

2

 

Dla układu izolowanego mo

ż

emy wi

ę

c wyznaczy

ć

 energi

ę

 w okre

ś

lonej chwili znaj

ą

c  

energi

ę

 w innej chwili, bez znajomo

ś

ci energii w chwilach po

ś

rednich. 

Je

ż

eli w izolowanym układzie zaniedbamy siły niezachowawcze (np. tarcie) i zmiany  

innych rodzajów energii, to mo

ż

emy napisa

ć

 

1

2

mech

mech

E

E

=

 

albo: 

0

=

mech

E

 

Poniewa

ż

 energia mechaniczna jest równa sumie energii kinetycznej i potencjalnej  

(któr

ą

 mo

ż

emy zdefiniowa

ć

 dla sił zachowawczych) mo

ż

emy zapisa

ć

0

=

+

=

p

k

mech

E

E

E

 

gdzie:  

k

E

jest zmian

ą

 energii kinetycznej, 

p

E

zmian

ą

 energii potencjalnej. 

Po prostym przekształceniu mo

ż

emy zapisa

ć

1

1

2

2

p

k

p

k

E

E

E

E

+

=

+

 

gdzie: indeksy 1 i 2 odnosz

ą

 si

ę

 do dwóch stanów układu w ró

ż

nych chwilach  

czasowych.  
Jest to znana zasada zachowania energii mechanicznej
Podczas  realizacji 

ć

wiczenia  modelowany  jest  ruch  w  jednej  płaszczy

ź

nie  (ruch 

płaski)  tarczy  poruszaj

ą

cej  si

ę

  po  torze  krzywoliniowym  pod  wpływem  siły  ci

ęż

ko

ś

ci 

(siły zachowawczej). W ruchu płaskim zło

ż

onym z ruchu post

ę

powego i obrotowego 

energi

ę

 kinetyczn

ą

 ciała oblicza si

ę

 wg. wzoru Koeniga: 

2

2

2

1

2

1

s

s

s

k

I

Mv

E

ω

+

=

 

gdzie: M – masa ciała, 

s

v

r

- jest pr

ę

dko

ś

ci

ą

 

ś

rodka masy, I

S

 – moment bezwładno

ś

ci 

ciała wzgl

ę

dem osi przechodz

ą

cej przez 

ś

rodek masy i prostopadłej do płaszczyzny 

ruchu, a 

s

ω

r

 

pr

ę

dko

ś

ci

ą

 k

ą

tow

ą

 ciała. 

Zmian

ę

  grawitacyjnej  energii  potencjalnej  układu  „Ziemia-badana  tarcza”  w  pobli

ż

powierzchni Ziemi mo

ż

emy zapisa

ć

 jako: 

h

mg

E

p

=

 

gdzie: 

h

jest zmian

ą

 poło

ż

enia pionowego osi tarczy wzgl

ę

dem poziomu odniesienia 

 
Przebieg 

ć

wiczenia 

 
 

Z  podanych  wy

ż

ej  wzorów  wynika, 

ż

e  aby  wyznaczy

ć

  w  ka

ż

dej  chwili  czasu 

energi

ę

 mechaniczn

ą

 tarczy nale

ż

y w ka

ż

dym poło

ż

eniu zna

ć

 pr

ę

dko

ść

 

ś

rodka masy 

V

s

, pr

ę

dko

ść

 k

ą

tow

ą

 

ω

s

 tarczy oraz poło

ż

enie 

ś

rodka ci

ęż

ko

ś

ci osi tarczy. Wielko

ś

ci 

te mo

ż

na wyznaczy

ć

  z pomiarów poło

ż

e

ń

 

ś

rodka masy  w poszczególnych chwilach 

background image

czasowych  przy  zało

ż

eniu, 

ż

e  tarcza  porusza  si

ę

  bez  po

ś

lizgu.  Pomiar 

współrz

ę

dnych poło

ż

enia 

ś

rodka masy odbywa si

ę

 w oparciu o kamer

ę

 do szybkich 

zdj

ęć

 i oprogramowanie pozwalaj

ą

ce na ka

ż

dej klatce filmu wyznaczy

ć

 współrz

ę

dne  

tego punktu i zapisa

ć

 te warto

ś

ci w arkuszu kalkulacyjnym.  

Dodatkowo  nale

ż

y  wyznaczy

ć

  teoretycznie  pr

ę

dko

ść

 

ś

rodka  masy  tarczy 

(szpulki)  we  wskazanych  przez  prowadz

ą

cego  punktach.  W  tym  celu  nale

ż

wykorzysta

ć

 zasad

ę

 zachowania energii.  

Wszystkie  pomiary  nale

ż

y  wykonywa

ć

  zgodnie  z  krokami  wymienionymi  w 

arkuszu sprawozdania.  
 
Rejestracja ruchu  
 
W celu dokonania rejestracji obrazu z kamery nale

ż

y wł

ą

czy

ć

 o

ś

wietlenie stanowiska 

i uruchomi

ć

 program PCV. 

Nast

ę

pnie  w  zakładce  programu  „Camera”  wybra

ć

  sposób  wy

ś

wietlania:  ”Display 

/Live”. Ustawi

ć

 za pomoc

ą

 regulacji przy obiektywie kamery ostro

ść

 obrazu tak, aby 

wyra

ź

nie widoczny był namalowany punkt na osi tarczy. 

Nast

ę

pnie  wybra

ć

  przycisk  „Frame  Rate”  i  ustawi

ć

  ilo

ść

  rejestrowanych  klatek  w 

ci

ą

gu sekundy: 125 klatek/ sek.  

W kolejnym kroku wybra

ć

 rozdzielczo

ść

 obrazu (przycisk „Resolution”): 1024 x 512.  

Dalej nale

ż

y nacisn

ąć

 przycisk „Record” i pu

ś

ci

ć

 swobodnie tarcz

ę

 tak, aby rozpocz

ą

ł 

si

ę

  jej  ruch.  Rozpocz

ąć

  rejestracj

ę

  poprzez  naci

ś

niecie  przycisku  „Trigger  In”,  który 

pojawi si

ę

 w miejsce przycisku „Record”. 

Zako

ń

czy

ć

  rejestracj

ę

  przyciskiem  „Rec  Done”  w  momencie,  gdy  tarcza  osi

ą

gnie 

punkt wskazany przez prowadz

ą

cego. 

Zapis rejestracji 
 
 

Przej

ść

  do  zakładki  „Data  Save”  i  wpisa

ć

  w  polu  „File  Name”  nazw

ę

 

zapisywanego pliku. 
Mo

ż

na  wybra

ć

  fragment  filmu,  który  ma  znale

źć

  si

ę

  w  pliku.  W  tym  celu  nale

ż

przesun

ąć

  za  pomoc

ą

  myszy  wska

ź

nik  pocz

ą

tku  i  ko

ń

ca  nagrania  u  dołu  zakładki 

(strzałki na pasku ilustruj

ą

cym całe nagranie).  

Nast

ę

pnie nacisn

ąć

 przycisk „Save”, aby zapisa

ć

 wynik rejestracji. 

 
Analiza obrazu 
 

W celu wykonania analizy obrazu nale

ż

y uruchomi

ć

 program „Motion Tools”.   

Z  menu  głównego  wybra

ć

  opcj

ę

  „File”  i  dalej  „Open  File”.  W  okienku  dialogowym 

wybra

ć

 uprzednio zapisany plik.  

 

Przej

ść

 do zakładki „Analysis” i nacisn

ąć

 przycisk na belce narz

ę

dziowej „Strat 

Analysis for Current Video” (przycisk na 

ś

rodku belki oznaczony kolorowymi kółkami). 

 

Nacisn

ąć

  przycisk  „Meter”  w  prawej  cz

ęś

ci  belki  narz

ę

dziowej.  Spowoduje  to 

otwarcie okna „Calibration”. Poprzez klikni

ę

cie lewym przyciskiem myszy zaznaczy

ć

 

na  pierwszej  klatce  filmu  pocz

ą

tek  wzorca  długo

ś

ci  narysowanego  na  stanowisku. 

Wróci

ć

  do  otwartego  okna  dialogowego  „Calibration”  i  klikn

ąć

  „SetPoint#  1”.  Z  kolei 

tej samej klatce filmu zaznaczy

ć

 koniec tego wzorca, a w oknie „Calibration” wybra

ć

 

„SetPoint  #2”.    Nast

ę

pnie  w  oknie  „Calibration”  nale

ż

y  wpisa

ć

  w  polu  „Dimension”  

rzeczywist

ą

  długo

ść

  wzorca  w  wybranej  jednostce  (s

ą

siednie  okienko).  Nacisn

ąć

 

klawisz  „Apply”,  a  nast

ę

pnie    „Close”  zamykaj

ą

c  okno  dialogowe.  W  wyniku 

background image

przeprowadzonej  kalibracji  wymiar  obrazu  w  pikselach  przeliczany  jest  na  wymiar 
rzeczywisty i wyniki analizy (poło

ż

enie 

ś

ledzonego punktu) podane b

ę

d

ą

 w wybranej 

realnej  jednostce miary długo

ś

ci. 

 

Nast

ę

pnie wybra

ć

 z listy „Auto Track” numer kolejny znacznika np. 1. Klikn

ąć

 

na  belce  narz

ę

dziowej  „Draw  a  region  for  selection  ”  (ikona  ze  szkłem 

powi

ę

kszaj

ą

cym).  Za  pomoc

ą

  myszy  i  techniki  przeci

ą

gania    zaznaczy

ć

  na  obrazie 

prostok

ą

tny obszar, którego 

ś

rodek ma by

ć

 

ś

ledzony. Obszar ten powinien obj

ąć

 o

ś

  

tarczy  wraz  z  niewielkim  fragmentem  jej  otoczenia.  Pozwoli  to  programowi 
jednoznacznie  odró

ż

ni

ć

  wskazany  obszar  na  ka

ż

dej  klatce  filmu  i 

ś

ledzi

ć

  ruch  jego 

ś

rodka. 

 

W kolejnym kroku mo

ż

na uruchomi

ć

 przycisk „Auto Track the current Region” 

(przycisk  z  czerwon

ą

  strzałk

ą

  na  belce  narz

ę

dziowej).  Program  b

ę

dzie 

ś

ledził 

automatycznie  ruch 

ś

rodka  zaznaczonego  obszaru.  W  razie  trudno

ś

ci  z 

automatycznym 

ś

ledzeniem  ruchu  mo

ż

na  wróci

ć

  do  odpowiedniej  klatki  (zestaw 

przycisków  z  lewej  strony  belki  narz

ę

dziowej)  i  usun

ąć

 

ź

le  zaznaczone  punkty  w 

aktualnej  klatce  lub  nawet  wszystkich  klatkach.  W  tym  celu  nale

ż

y  klikn

ąć

  prawym 

klawiszem  myszy  na  obrazie  i    wybra

ć

  opcj

ę

  „Analysis  ->Clear  Features”  i 

odpowiedni

ą

 podopcj

ę

.  

 

Mo

ż

na  tak

ż

e  uzupełni

ć

  zidentyfikowane  poło

ż

enia  zaznaczonego  obszaru  w 

trybie  manualnym.    Wystarczy  wtedy  z  listy  „Auto  Track”  wybra

ć

  opcj

ę

  „Manual”, 

ustawi

ć

  odpowiedni

ą

  klatk

ę

  obrazu  (zestaw  przycisków  po  lewej  stronie  u  góry),  

zaznaczy

ć

  na  obrazie  wła

ś

ciwy  fragment  zwi

ą

zany  ze 

ś

ledzonym  punktem,  a 

nast

ę

pnie  klikn

ąć

  na  przycisku  „Select  Reticle  Position  and  Region…  ”  (przycisk  na 

ś

rodku  belki  narz

ę

dziowej).  Post

ę

puj

ą

c  tak  klatka  po  klatce  mo

ż

emy  r

ę

cznie 

odwzorowa

ć

 odpowiednie przemieszczenia.  

 

Zapis  współrz

ę

dnych  poło

ż

enia 

ś

ledzonego 

ś

rodka  obszaru  i  chwil  czasu  dla 

ka

ż

dej klatki odbywa  si

ę

 po naci

ś

ni

ę

ciu przycisku  „Export the Feature Positions” po 

prawej stronie belki narz

ę

dziowej. Po tej operacji dane zostaj

ą

 zapisane  w arkuszu 

programu Excel, który nale

ż

y przekopiowa

ć

 w celu wykonania dalszych  oblicze

ń

.  

 
Analiza pomiarów 
 
 

Celem  tej  analizy  jest  wyznaczenie  energii  mechanicznej  badanego  układu. 

Niezb

ę

dne do tego jest wyznaczenie pr

ę

dko

ś

ci liniowej 

ś

rodka masy tarczy. Aby tego 

dokona

ć

  na  podstawie  zarejestrowanych  współrz

ę

dnych  x  i  y  nale

ż

y  osobno 

rozpatrzy

ć

  odpowiednie  rzuty  szukanej  pr

ę

dko

ś

ci  na  kierunki  osi  układu 

współrz

ę

dnych.   

 

Aby  bardziej  obiektywnie  wyznaczy

ć

  składowe  pr

ę

dko

ś

ci  nale

ż

y  zastosowa

ć

 

numeryczne  oszacowanie  pierwszej  pochodnej  w  postaci  (dla  ka

ż

dych  4  kolejnych 

punktów) [1]: 

( )

(

)

( )

(

)

( )

(

)

( )

(

)

)

(

11

)

(

18

)

(

9

)

(

2

6

1

)

(

2

)

(

3

)

(

6

)

(

6

1

)

(

)

(

6

)

(

3

)

(

2

6

1

)

(

2

)

(

9

)

(

18

)

(

11

6

1

3

2

1

3

3

2

1

2

3

2

1

1

3

2

1

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

=

+

+

=

+

=

+

+

=

i

i

i

i

i

x

i

i

i

i

i

x

i

i

i

i

i

x

i

t

i

i

i

x

t

x

t

x

t

x

t

x

h

t

v

t

x

t

x

t

x

t

x

h

t

v

t

x

t

x

t

x

t

x

h

t

v

t

x

t

x

t

x

t

x

h

t

v

  

 

(1) 

background image

gdzie:  h  jest  odst

ę

pem  czasowym  pomi

ę

dzy  kolejnymi  klatkami  zarejestrowanego 

filmu, 

)

(

i

x

t

v

, jest składow

ą

 x pr

ę

dko

ś

ci 

ś

rodka masy tarczy w ruchu post

ę

powym dla 

chwili czasowej t

i

 (i=1,2...N), 

( )

i

t

x

 jest współrz

ę

dn

ą

 

ś

rodka masy tarczy w tej chwili. 

Nast

ę

pnie  nale

ż

y  dokona

ć

  wygładzenia  zale

ż

no

ś

ci  v

x

(t)  wykorzystuj

ą

c  metod

ę

 

u

ś

redniania bie

żą

cego w postaci [2]: 

+

=

=

1

)

(

1

)

(

~

q

i

i

j

j

x

i

x

t

v

q

t

v

   

 

 

 

(2) 

gdzie: 

x

v~

–  element  u

ś

rednionego  szeregu, 

x

v

    element  pierwotnego  szeregu 

obliczonych pr

ę

dko

ś

ci.  

Parametr  q  mo

ż

na  przyj

ąć

  na  poziomie  od  10  do  20  w  zale

ż

no

ś

ci  od  potrzeb. 

Poniewa

ż

  ko

ń

cowe  dane  nie  b

ę

d

ą

  wła

ś

ciwie  u

ś

rednione  nie  uwzgl

ę

dnia  si

ę

  ich  w 

dalszych obliczeniach i rysunkach. Nale

ż

y odrzuci

ć

 wi

ę

cej ni

ż

 q ko

ń

cowych warto

ś

ci, 

je

ś

li istotnie odbiegaj

ą

 one od ogólnej tendencji zmian danej wielko

ś

ci. 

Podobnie  nale

ż

y  wyznaczy

ć

  składow

ą

  y  pr

ę

dko

ś

ci. W kolejnym  kroku  nale

ż

wyznaczy

ć

 moduł wektora pr

ę

dko

ś

ci 

ś

rodka masy tarczy: 

2

2

~

~

y

x

s

v

v

v

+

=

  

 

 

 

 

(3) 

Pr

ę

dko

ść

  k

ą

tow

ą

  nale

ż

y  wyznaczy

ć

  przyjmuj

ą

c, 

ż

e  tarcza  toczy  si

ę

  bez 

po

ś

lizgu. Przy takim zało

ż

eniu: 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(4) 

( )

( )

r

t

v

t

i

s

i

s

=

ω

 

gdzie: 

ω

s

(t

i

)

 

– pr

ę

dko

ść

 k

ą

towa w chwili t

i

, r  – promie

ń

 osi tocz

ą

cej si

ę

 po torze, na 

której zamocowano tarcz

ę

Ś

ledz

ą

c  poło

ż

enie  w  osi  y 

ś

rodka  masy  mo

ż

na  oszacowa

ć

  energi

ę

 

potencjaln

ą

  wzgl

ę

dem  przyj

ę

tego  poło

ż

enia  odniesienia.  Nale

ż

y  jednak  wyznaczy

ć

 

wygładzone

y

~

korzystaj

ą

c  z  metody  (2)  i  tego  samego  q  co  w  przypadku  pr

ę

dko

ś

ci. 

Podobnie jak poprzednio odrzuca si

ę

 ko

ń

cowe pomiary. 

Ostatecznie  nale

ż

y  sprawdzi

ć

  czy  zmiany  całkowitej  energii  mechanicznej  (dla 

ka

ż

dego z u

ś

rednionych pomiarów) wynosz

ą

 zero.   

Wyniki nale

ż

y zilustrowa

ć

 odpowiednimi wykresami zgodnie z poleceniami zawartymi 

w arkuszu sprawozdania.  
 
 
UWAGA. W zwi

ą

zku z wyst

ę

powaniem po

ś

lizgów podczas ruchu tarczy po torze jak i 

wyst

ę

powania  tarcia,  mo

ż

e  okaza

ć

  si

ę

ż

e  wyliczona  energia  mechaniczna  nie 

pozostanie stała. 
Nale

ż

y zda

ć

 sobie z tego spraw

ę

 podczas interpretacji wyników eksperymentu. 

 
Literatura 
 
[1] Otto E. Matematyka dla wydziałów budowlanych i mechanicznych, tom 3, rozdz. 
XVI, §111, PWN, Warszawa 
[2] Jó

ź

wiak J., Podgórski J., Statystyka od podstaw, rozdz. 16, PWE, Warszawa