理论力学实验报告7489.pdf

实验一 求不规则物体的重心 一、实验目的：用悬吊法和称重法求出不规则物体的重心的位置。二、实验设备仪器：ZME-1 型理论力学多功能实验台，直尺、积木、磅秤、胶带、白纸等。三、实验原理方法简述（一）悬吊法求不规则物体的重心 适用于薄板形状的物体，先将纸贴于板上，再在纸上描出物体轮廓，把物体悬挂于任意一点 A，如图1-1（a）所示，根据二力平衡公理，重心必然在过悬吊点的铅直线上，于是可在与板贴在一起的纸上画出此线。然后将板悬挂于另外一点 B，同样可以画出另外一条直线。两直线的交点 C 就是重心，如图 1-1（b）所示。AFWBFWAC(a)(b)图 1-1（二）称重法求轴对称物体的重心 对于由纵向对称面且纵向对称面内有对称轴的均质物体，其重心必在对称轴上。lW1NFCxlW2NFCxABAB(a)(b)图 1-2 首先将物体支于纵向对称面内的两点，测出两个支点间的距离l，其中一点置于磅秤上，由此可测得 B处的支反力N1F的大小，再将连杆旋转 180O，仍然保持中轴线水平，可测得N2F的大小。重心距离连杆大头端支点的距离Cx。根据平面平行力系，可以得到下面的两个方程：0C1NN21NxWlFWFF 根据上面的方程，可以求出重心的位置：N2N11NFFlFxC 四、实验数据及处理（一）悬吊法求不规则物体的重心 （二）称重法求对称连杆的重心。a.将磅秤和支架放置于多功能台面上。将连杆的一断放于支架上，另一端放于支架上，使连杆的曲轴中心对准磅秤的中心位置。并利用积木块调节连杆的中心位置使它成水平。记录此时磅秤的读数 FN1=1375g b.取下连杆，记录磅秤上积木的重量 FJ1=385g c.将连杆转180，重复 a 步骤，测出此时磅秤读数 FN2=1560g d.取下连杆，记录磅秤上积木的重量 FJ1=0g e.测定连杆两支点间的距离 l=221mm f.计算连杆的重心位置 (1375385)22186mm1375385 1560Cx 重心距离连杆大头端支点的距离Cx=86mm。五、思考题 1.在进行称重法求物体重心的实验中，哪些因素将影响实验的精度 答：影响实验精度的因素有：1）磅秤的精度；2）支点位置的准确度；3）连杆中心线的水平度；4）连杆支点间距离测量的准确度，等。A B C 实验四 四种不同载荷的观测与理解 一、实验目的：通过实验理解渐加载荷，冲击载荷，突加载荷和振动载荷的区别。二、实验设备仪器：ZME-1 型理论力学多功能实验台，磅秤，沙袋。三、实验原理方法：a.取出装有一定重量砂子的沙袋，将砂子连续倒在左边的磅秤上，观察磅秤的读数；（渐加载荷）b.将砂子倒回沙袋，并使沙袋处于和磅秤刚刚接触的位置上，突然释放沙袋；（突加载荷）c.将沙袋提取到一定高度，自由落下；（冲击载荷）d.把与沙袋重量完全相同的能产生激振力的模型放在磅秤上，打开开关使其振动，（振动载荷）力与时间的关系示意图 渐加载荷 突加载荷 冲击载荷 振动载荷 四、思考题 1四种不同载荷分别作用于同一座桥上时，哪一种最不安全 答：一般情况下冲击载荷最不安全，若有共振则振动载荷也不安全。2 请简述通过这次实验的收获。答：通过这次实验对四种载荷有了更明确地认识。t F O 500g t F O 500g t F O 500g t F O 500g 实验三 转动惯量（三线摆求圆盘的转动惯量，用等效方法求非均质发动机摇臂的转动惯量）一、实验目的：测量刚体绕轴旋转的转动惯量。二、实验设备仪器：ZME-1 型理论力学多功能实验台、秒表、直尺、磁性圆柱铁等 三、实验原理、方法：如图 3-1 所示三线摆，均质圆盘质量为m，半径为R，三线摆悬吊半径为r。当均质圆盘作扭转角为小于 6 度的微振动时，Lr 系统最大动能：222Kmax0max001122EJJ 系统最大势能：202200maxP2121cos1LrmgmgLmgLE 0为圆盘的扭转振幅，0是摆线的扭转振幅 对于保守系统机械能守恒，即：PKEE，经化简得LJmgr022 由于：2T 则圆盘的转动惯量：LmgrTJ2202可见测周期 T 可用上式计算出圆盘的转动惯量。四、实验数据及处理 1.（一）圆盘转动惯量的理论计算与实验测量 已知：圆盘直径mm100d，R=d/2=50mm，厚度为mm5.5,材料密度33kg/m1075.7，吊线半径为mm41r。用理论公式计算圆盘转动惯量：2224154203115.5 50107.75 104.1847 10 k12gm22JmRRR 实验测量：转动右边手轮，使圆盘三线摆下降约 60 cm，给三线摆一个初始角（小于 6 度），释放圆盘后，使三线摆发生扭转振动，用秒表记录扭转十次或以上的时间，算出振动周期 T。用三线摆测周期计算圆盘转动惯量：LmgrTJ2202，将实测和计算结果添入下表：线长 L(cm)30 40 50 60 周期 T(s)转动惯量20mkg J 误差（%）由计算结果可以看出随着摆长的增加测量精度提高。r R l l l（二）用等效方法求非均质（铝合金，铜，钢，记忆合金组成）发动机摇臂的转动惯量 分别转动左边两个三线摆的手轮，让有非均质摇臂的圆盘三线摆下降至可接受的三线摆线长(=mm600)，也使配重相同的带有磁性的两个圆柱铁三线摆下降至相同的位置。已知：等效圆柱直径mm20d,高mm18h，材料密度33kg/m1075.7。则两圆柱对中心轴 O 的转动惯量计算公式：22022212smdmJ 式中：s为两圆柱的中心距。分别以不同的中心距s测出相应的扭转震荡周期T，并用理论公式计算出两个圆柱对中心轴的转动惯量0J，填入下表，中心距 S(mm)30 40 50 60 周期 T(s)转动惯量20mkg J 并可绘制一定质量、一定摆长下周期与转动惯量之间的关系图 测出与两个圆柱等重的非均质发动机摇臂的扭转振动周期：T (s)运用插入法，求得摇臂的转动惯量：0J (2mkg)五、思考题 1.分析发动机摇臂质心和轴心相距较大时，对实验精度的影响 答：计算公式由机械能守恒推得，其中有微幅摆动条件；另外系统动能由绕定轴转动刚体计算，若刚体质心与转动中心不重合，动能计算不准确，并且由此计算得的结果会偏小。用三线摆扭转振动周期法求转动惯量，除方法误差外，还会有周期测定精度、摆长、悬线半径等因素的影响。JO O T2 实验五 单自由度系统振动（弹簧质量系统的固有频率和自激振动、自由振动、强迫振动）一、实验目的 掌握单自由度振动系统固有频率n与振动质量m和系统弹簧刚度k之间的关系mkn。演示自激振动现象及其与自由振动和强迫振动的区别。二、实验设备仪器：ZME-1 型理论力学多功能实验台、风速表、转速表、秒表等 三、实验原理、方法：（一）单自由度线性系统的自由振动 由一个质量块及弹簧的系统，在受到初干扰（初位移或初速度）后，仅在系统的恢复力作用下在其平衡位置附近所作的振动称为自由振动。其运动微分方程为：0mxkx （无阻尼）其解为：)(sinntA 其中：2n2020vxA，00narctanvx，nkm（二）单自由度线性系统的强迫振动 在随时间周期性变化的外力作用下，系统作持续振动称为强迫振动，该外力称为干扰力。其振动微分方程为：thxxnxmsin22n（有阻尼）方程全解为：)sin()sin(22nBtnAext 强迫振动的振幅 B 可以表示为2n2n22n041nBB 式中：kHhB2n0 称为静力偏移，表示系统在干扰力的幅值 H 的静力作用下的偏移。（三）自激振动的基本特性：自激振动是一种比较特殊的现象。它不同于强迫振动，因为其没有固定周期性 交变的能量输入，而且自激振动的频率基本上取决于系统的固有特性。它也不同于自由振动，因为它并不随时间增大而衰减，系统振动时，维持振动的能量不象自由振动时一次输入，而是象强迫振动那样持续地输入。但这一能源并不象强迫振动时通过周期性的作用对系统输入能量，而是对系统产生一个持续的作用，这个非周期性作用只有通过系统本身的振动才能变为周期性的作用，能量才能不断输入振动系统，从而维持系统的自激振动。因此，它与强迫振动的一个重要区别在于系统没有初始运动就不会引起自激振动，而强迫振动则不然。四、实验项目（一）求单自由度系统的振动频率 已知：高压输电模型的质量kg138.0m，砝码规格分别为g100和g200。用不同砝码挂吊在半圆形模型下部中间的圆孔上，观察弹簧系统的变形，记录下质量振动的位移。砝码重)N(W 位移)mm(L 计算系统的等效刚度和振动频率 eq0.981.963.925.88/4118.975N/m8.516.532.548.5WkL eq11118.9754.673Hz220.138kfm（二）演示自激振动现象及其与自由振动和强迫振动的区别，观察并定性分析风速与振幅，风速与振动频率的关系。开启变压器旋钮分别调至 90200V 共分 5 级，使风机由低速逐级增速，用转速仪，风速仪，秒表分别测出转速，风速，振幅，振动周期并做记录（注意：记录振幅时视线应与指针保持水平，测试间隔约 35分钟），最后把变压器调至 0，再观察振动情况。电压（v）90 100 110 150 0 转速（r/m）风速（m/s）振幅（mm）周期（s）分析整个过程中那段为_振动，那段为_振动。为什么振动周期无变化（三）用现有的实验装置和配件演示强迫振动现象 五、思考题 1.自由振动，自激振动和强迫振动的区别和各自的特点是什么 自由振动：仅在系统的恢复力作用下在其平衡位置附近所作的振动称为自由振动。振动的频率取决于系统的固有特性。强迫振动：在随时间周期性变化的外力作用下，系统作持续振动称为强迫振动。自由振动成分在阻尼作用下迅速衰减，振动的频率最终取决于激励的频率。自激振动：系统输入持续但不是周期性的能量，通过系统本身的振动变为周期性的作用，输入振动系统，从而维持系统的自激振动。系统没有初始运动就不会引起自激振动，自激振动的频率基本上取决于系统的固有特性。