Опыт 2.7. Неравноускоренное движение, вязкое трение

Цель работы: исследовать движение тележки при наличии переменных сил, сил вязкого трения.

Оборудование:

1. Дорожка с воздушной подушкой.

2. Тележка.

3. Магниты.

4. Персональный компьютер.

 

 

Рис. 30. Тележка для опыта «Неравноускоренное движение, вязкое трение»

 

Ход работы

На дорожке с воздушной подушкой можно исследовать не только движение тележки под воздействием постоянных сил, но и при наличии переменных сил, например, сил вязкого трения.

1. Силу вязкого трения проще всего реализовать, если установить на тележку постоянные магниты, которые при движении тележки по алюминиевому корпусу дорожки будут создавать вихревые токи – токи Фуко и, взаимодействуя с ними, будут создавать силу трения, пропорциональную скорости.

2. Сейчас дорожка установлена в строго горизонтальном положении, создадим начальный толчок тележки при помощи электромагнитного пускателя и посмотрим, как при этом будет двигаться тележка.

3. Запускаем тележку и видим, что она движется не с постоянной скоростью, а скорость ее постепенно уменьшается.

4. Закончив измерения, выведем на экран зависимости ускорения и логарифма ускорения от времени. Видим, что ускорение с течением времени убывает по модулю, поскольку оно отрицательно, а логарифм ускорения линейно зависит от времени. То есть зависимость ускорения от времени действительно экспоненциальная.

5. Теперь посмотрим зависимости скорости от времени и логарифма скорости от времени. Скорость с течением времени убывает по экспоненциальному закону, а логарифм скорости минус ее установившееся значение, которое близко к нулю, линейно зависит от времени.

6. Очевидно, что сила сопротивления при этом должна быть пропорциональна скорости.

 

 

Рис. 31. Зависимости ускорения и логарифма ускорения от времени

 

 

Рис. 32. Зависимости скорости и логарифма скорости от времени

 

 

Рис. 33. Зависимость силы сопротивления от скорости

Сила сопротивления отрицательна и с ростом скорости увеличивается по линейному закону, причем поскольку дорожка была в горизонтальном положении, то внешняя сила равнялась нулю, а экспериментальное значение внешней силы, вычисленной нами из наших измерений, так же в пределах ошибок близко к нулю.

 

Вывод: исследовали движение тележки при наличии переменных сил, сил вязкого трения. Ускорение с течением времени убывает по модулю, скорость с течением времени убывает по экспоненциальному закону, сила сопротивления пропорциональна скорости.

 

Силы

В современной физике различают четыре вида взаимодействий: 1) гравитационное (или взаимодействие, обусловленное всемирным тяготением), 2) электромагнитное (осуществляемое через электрические и магнитные поля), 3) сильное или ядерное (обеспечивающее связь частиц в атомном ядре) и 4) слабое (ответственное за многие процессы распада элементарных частиц).

В рамках классической механики имеют дело с гравитационными и электромагнитными силами, а также с упругими силами и силами трения.

Величина гравитационной силы определяется формулой (47):

. (48)

Величина силы, с которой взаимодействуют два покоящихся точечных заряда q ₁ и q ₂, дается законом Кулона:

, (49)

где k – коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора единиц входящих в формулу величин.

Если заряды движутся, то, кроме силы (48), на них действуют магнитные силы. Магнитная сила, действующая на точечный заряд q, движущийся со скоростью v в магнитном поле с индукцией В, определяется формулой

F = k'q [ v, B ], (50)

где k' – коэффициент пропорциональности).

Понятие консервативных сил

Если внутри системы, состоящей из нескольких материальных точек (тел), под действием силы происходит перемещение тела относительно других тел из одного произвольного положения в другое, то работа A_1,2, совершаемая при этом, не зависит от формы пути перехода.

Силы, работа которых не зависит от формы пути, а определяется только начальным и конечным положениями тела в пространстве, называются консервативными или потенциальными.

Силы, работа которых зависит от формы пути, называются неконсервативными.

Силы являются консервативными тогда, когда в системе нет перехода механического движения в другие формы движения материи или наоборот.

Силы, работа которых возрастает по величине при увеличении пути, независимо от того, замкнут путь или нет, называются диссипативными. В этом случае механическая энергия переходит во внутреннюю, и работа этих сил определяется неоднозначно.

 

 

 

Вопросы к главе 2 «Динамика»