Удар шаров - потери энергии при ударе

Физика

«удар шаров - потери энергии при ударе»

Отчет по лабораторной работе №19-б

Цель работы

Экспериментально определить потери энергии при ударе.

Оборудование и приборы

Лабораторный комплекс ЛКМ-1 (модуль “Удар шаров”, шесть шаров из разных материалов).

Теоретическая часть

Удар твердых тел – совокупность явлений, возникающих при столкновении движущихся тел. Промежуток времени, в течении которого происходит удар, обычно очень мал (10-3 – 10-6с).

Во время удара тела деформируются. В зоне удара возникает так называемые ударные силы, что приводит к значительным изменениям скоростей точек соударяющихся тел. Следствием удара могут быть остаточные деформации, звуковые колебания, нагревание тел, изменение механических свойств их материалов, а при скоростях соударения, больших так называемых критических, наблюдается разрушение тел в месте удара. Характер протекания удара существенно зависит от модуля упругости, твердости, вязкости и других свойств материала соударяющихся тел, размеров и массы тел. Знание времени соударения позволяет производить расчет возникающих при ударе сил, что очень важно при решении многих технических задач.

Различают  два предельных вида удара: абсолютно упругий и абсолютно неупругий. Если в результате удара механическая энергия не переходит в другие формы энергии, то удар называется упругим.

Абсолютно упругих ударов в природе не бывает, так как всегда часть энергии затрачивается на необратимую деформацию тел и увеличение их внутренней энергии. Однако, для некоторых тел, например: стальных шаров, потерями механической энергии можно пренебречь. Если направление движения двух соударяющихся в момент их соприкосновения совпадает с прямой, соединяющей центры шаров, то удар называется центральным. В этой лабораторной работе мы будем рассматривать лишь центральный идеально упругий удар.

Описание аппаратуры

Модуль “Удар шаров” предназначен для изучения времени столкновения, силы удара и сохранения энергии при центральном ударе шаров из различных материалов.

Модуль содержит (рис. 1)  панель 2 с двумя шкалами, на которой установлены две оси 6 для подвеса шаров, аретир 4 с зажимным винтом 5 и спусковым устройством 7 и указатель максимального отклонения 3.

Подвес шара содержит пружинный держатель 9 и легкий стержень 8 с крючком для подвешивания на оси панели. В держатель вставляется шар. Расстояние центра шара от оси подвеса равно 300±1 мм. Параметры шаров: стальной (диаметр 41,2мм, масса 285,5г), алюминиевый (диаметр 41,2мм, масса 101,4г), латунный (диаметр 41,1мм, масса 306,8г).

Рисунок

Для проведения экспериментов панель монтируется на колонне стойки 1. Аретир отклоняется на заданный угол и слегка зажимается винтом. Подвес шара отклоняется на слегка больший угол, головка спускового устройства поворачивается так, чтобы соединенный с ней штырь расположился горизонтально, после чего держатель шара опускается на этот штырь. Для отпускания шара нужно повернуть головку спускового устройства на 900, стараясь не вызвать колебаний стойки.

Порядок выполнения работы

1.              Установить модуль “Удар шаров” с помощью шпилек на стойке, на высоте, обеспечивающей свободное движение шаров, закрепив его двумя гайками.

2.              Вставить два стальных шара в пружинные держатели.

3.              Установить аретир на угол j=400. Зацепите подвес шара за спусковое устройство.

4.              Установить указатель максимального отклонения на отметку ноль (чтобы указатель едва касался стержня).

5.              Освободите шар, повернув головку спускового устройства на 900.

6.              Зафиксируйте максимальный угол поворота второго шара.

7.              Повторите опыт для различных комбинаций шаров (см. таблицу1).

8.              Результаты измерений занесите в таблицу 1.

Таблица 1 – Данные измерений и вычислений.

Вывод формул

Шар, отведенный от положения равновесия на угол j обладает запасом потенциальной энергии Еп=mgh. Эта энергия к моменту соприкосновения полностью переходит в кинетическую. Следовательно, максимальные значения потенциальной  и кинетической энергии равны.

Таким образом, потеря потенциальной энергии равна потери кинетической энергии:

ДEп=ДЕк

Рассмотрим потерю потенциальной энергии.

Из треугольника, образованного начальным и конечным положением стержня следует

откуда

где              l – длина стержня;

h – высота подъема шара;

              ц – угол отклонения шара.

Получим:

.

Следовательно, потеря энергии равна:

.

Параметры шаров:

Расчётная часть

Расчёт потери энергии.

1.      Первый шар- сталь. Второй шар – сталь.

2.      Первый шар – латунь. Второй шар- латунь.

3.      Первый шар – алюминий. Второй шар- алюминий.

4.      Первый шар – сталь. Второй шар- алюминий.

5.      Первый шар – латунь. Второй шар- алюминий.

6.      Первый шар – алюминий. Второй шар- латунь.

Вывод: научились экспериментально определять потерю энергии при ударе шаров из разных металлов (латунь, сталь, алюминий).