Доцентрова сила / відцентрова сила з Cobra SMARTse

попередні

знання

Необхідні попередні знання можна знайти в розділі "Теорія".

Головна

принцип

Відцентрова сила в повсякденній мові часто згадується як причина виникнення сили під час рівномірного нелінійного руху. Перебуваючи в рухомому об'єкті, який змінює свій напрямок, Ви можете відчути, як відцентрова сила виштовхує Вас назовні, як це можна спостерігати на каруселі-гойдалці. Власне круговий рух визначається доцентровою силою.

На доцентрову силу впливає маса тіла, що рухається, а також його радіус і кутова швидкість. В експерименті доцентрову силу досліджують за допомогою датчика сили, який розташований близько до центру обертання і з'єднаний з тілом ниткою, що утримує його на своїй орбіті.

Мета цього експерименту - дослідити принцип дії доцентрової та відцентрової сили.

Мета навчання

Завдання

1. Визначення залежності між доцентровою силою та кутовою швидкістю .
2. Визначення залежності між доцентровою силою і масою тіла, що обертається.
3. Визначення залежності між доцентровою силою і радіусом кругового руху.

Тіло масою може рухатися по колу під дією доцентрової сили , яка безперервно рухає рухоме тіло до центру орбіти. Сила діє паралельно радіальному прискоренню. Без доцентрової сили тіло рухалося б по прямолінійній траєкторії, що відповідає вектору швидкості .

Доцентрова сила відповідає 2 закону Ньютона і, таким чином, дорівнює добутку маси тіла на його прискорення. Прискорення в цьому випадку називається доцентровим прискоренням , яке залежить від радіуса кругового руху та його швидкості . Використовуючи трикутники сил, можна визначити цю залежність. Отримуємо:

Рис. 1: Круговий рух

Задаючи кутову швидкість , доцентрову силу можна переписати як

Тіло всередині рухомого об'єкта продовжувало б свій рух по прямолінійній траєкторії через свою інерцію, але відчуває відцентрову силу через прискорення навколишнього об'єкта. Ця сила є лише псевдосилою, оскільки її можна виміряти лише в плаваючій системі відліку. Вона не може бути виявлена для спостережень ззовні. З рисунка 1 стає очевидним, що відцентрова сила спрямована в протилежний бік від доцентрової сили, але вони мають однакову абсолютну величину.

Рис. 2: Доцентрова та відцентрова сила.

measureAPP для операційних систем Android

measureAPP для операційних систем iOS

measureAPP для планшетів / ПК з Windows 10

• Зберіть експериментальну установку, як показано на рис. 3, але без експериментального двигуна. Датчик для вимірювання сили потрібно прикріпити до штативних стрижнів таким чином, щоб гачок з прикріпленою до нього ниткою (волосінню) знаходився на одній висоті з візком. Нитка (волосінь) повинна бути паралельна площині і проходити під шківом, не торкаючись його.
• У першій експериментальній частині додатково прикладені маси і довжину волосіні можна вибирати довільно.
• Увімкніть датчик для вимірювання сили.

Рис. 3: Експериментальна установка

На рис. 5 показано зміну доцентрової сили після того, як ми штовхнули апарат для вивчення відцентрової сили до моменту його зупинки. Видно, що сила коливається навколо середнього значення, яке збільшується в ході експерименту. Коливання відбуваються завдяки злегка нахиленим установкам. Коливання можна використовувати для визначення поточної кутової швидкості для кожного періоду. Якщо коливання важко розпізнати, вимірювання слід повторити з більш нахиленим апаратом для вивчення відцентрової сили.

Рис. 5: Зміна доцентрової сили для 453 г і 30 см від поштовху апарата до його зупинки.

Використовуючи інструмент середнього значення за один період, можна визначити відповідну середню відцентрову силу. Як і в попередньому випадку, важливо, щоб початкова і кінцева точки вимірювального інструменту знаходилися точно на двох максимумах (мінімумах) поруч один з одним. Переконайтеся, що канал сили обраний і середня сила знімається за правильний проміжок часу. Тому рекомендується проходити через періоди і визначати як середню силу, так і періодичний час одразу один за одним. Визначене значення запишіть безпосередньо біля відповідного періоду в таблиці середньої відцентрової сили.

Рис. 8: Налаштування перетворення каналів.

Використовуйте інструмент перетворення каналів для обчислення квадрата кутової швидкості (налаштування показано на рисунку 8). Формула має вигляд:

Тепер побудуйте графік залежності середніх значень доцентрової сили від квадрата кутової швидкості, створивши діаграму з обома наборами даних, а потім обравши для осі квадрат кутової швидкості (наприклад, рис. 9). Графік показує приблизно лінійну залежність. Отже, доцентрова сила пропорційна квадрату кутової швидкості , а для постійного радіуса також пропорційна квадрату швидкості .

Рис. 9: Доцентрова сила в залежності від квадрата кутової швидкості.

Рис. 10: Доцентрова сила в залежності від маси .

Аналогічно до частини 2, витягніть середні значення доцентрової сили і створіть файл даних вимірювань, куди вставте ці значення. Тепер потрібен додатковий файл даних вимірювань для різних радіусів . Потім побудуйте графік залежності середніх значень доцентрової сили від радіуса , створивши діаграму з обох файлів вимірювань і вибравши радіус на осі абсцис. Приклад наведено на рисунку 11. Ці точки також розташовані на прямій лінії, що вказує на те, що доцентрова сила пропорційна радіусу для постійної маси і незмінної кутової швидкості .

Рис. 11: Доцентрова сила в залежності від радіуса .