III .Методика измерений и расчетные формулы

Систему пуля - маятник можно считать замкнутой. Применим к ней закон сохранения момента импульса:

где и - масса и скорость пули соответственно; r- расстояние от оси вращения маятника до центра масс пули в месте ее вклеивания; J_n - момент инерции пули относительно оси вращения маятника; J - момент инерции маятника при некотором расположении грузов на нем; - начальная угловая скорость маятника.

Поскольку J _n<<J, то

. (1)

Из (1) следует, что для определения скорости пули необходимо найти момент инерции и начальную угловую скорость маятника, т.к. величины m и r могут быть непосредственно измерены.

Дня определения воспользуемся законом сохранения механической энергии и основным законом динамики для вращательного движения.

Маятник будет совершать колебания под действием упругого момента нити, пропорционального углу поворота маятника α:

М = – kα,

где k - коэффициент пропорциональности (модуль кручения). Знак минус указывает на то, что вектор момента силыМ направлен в сторону, противоположную направлению вектора отклонения маятника.

Элементарная работа против сил упругости по закручиванию нити на малый угол равна

После интегрирования получаем: .

Если пренебречь незначительными потерями на трение, то можно записать:

или , (2)

где - максимальный угол отклонения маятника от положения равновесия.

По закону динамики для вращательного движения

или .

Частным решением этого уравнения является

в чем можно убедиться непосредственной подстановкой.

Величина в последнем выражении является циклической частотой колебаний, которая по определению равна .

Таким образом, маятник будет совершать гармонические колебания с периодом

. (3)

Подставив в формулу (3) выражение для из формулы (2), получим следующее выражение для начальной угловой скорости маятника:

. (4)

Если на стержне маятника закреплены 2 груза, причем расстояние R ₁, от оси маятника до центра масс каждого груза значительно больше размеров груза, то момент инерции системы будет равен