1.     Wstęp teoretyczny.

Ruchem drgającym nazywamy każdy ruch lub zmianę stanu, które charakteryzuje powtarzalność w czasie wartości wielkości fizycznych, określających ten ruch lub stan. Jeżeli wartości wielkości fizycznych zmieniające się podczas drgań powtarzają się w równych odstępach czasu to ruch taki nazywamy ruchem okresowym.

Najprostszy rodzaj drgań okresowych są drgania harmoniczne.

Okresem drgań harmonicznych nazywamy najmniejszy odstęp czasu, po upływie którego powtarzają się wartości wszystkich wielkości fizycznych charakteryzujących drganie.

Jako przykład drgań harmonicznych można podać niewielkie wahania wahadła fizycznego.

Wahadło fizyczne jest to ciało doskonale sztywne, które pod wpływem własnego ciężaru waha się dookoła osi nie przechodzącej przez środek ciężkości ciała.

Okres drgań harmonicznych [T] wahadła fizycznego można wyznaczyć korzystając ze wzoru:           

.

Okres drgań harmonicznych nie zależy od kąta wychylenia  a  z położenia równowagi (izochronizm wahań).

Twierdzenie Steinera.

Po przekształceniu wzoru na okres drgań (w/w) otrzymujemy następujące wyrażenie na moment bezwładności:

.

Moment ten jest mierzony względem osi obrotu wahadła.

W praktyce często przydatna jest znajomość momentów bezwładności mierzonych względem osi przechodzącej przez środki ciężkości tych ciał.

Do wyznaczenia momentu bezwładności ciała względem osi przechodzącej przez środek masy ciała korzysta się z twierdzenia Steinera, które brzmi następująco: różnica momentów bezwładności ciała względem dwu równoległych osi, z których jedna przechodzi przez środek masy, równa jest iloczynowi masy ciała m i kwadratu odległości d między osiami:

.

Dla dwu różnych odległości i  od osi przechodzącej przez środek masy ciała mamy:

.

Po podstawieniu poprzedniego wzoru otrzymujemy:

.

Otrzymana doświadczalnie stała wartość powyższych wyrażeń może służyć jako potwierdzenie twierdzenia Steinera.

Stała C pozwala obliczyć moment bezwładności ciała względem osi przechodzącej przez środek masy:

.

2.     Cel ćwiczenia:

1. Stwierdzenie zależności okresu drgań wahadła od momentu bezwładności.
2. Doświadczalne potwierdzenie twierdzenia Steinera.
3. Wyznaczenie momentu bezwładności ciał względem osi przechodzącej przez środek masy (tzw. osi środkowej).

3.              Urządzenie pomiarowe.

-          tarcza metalowa z symetrycznie naciętymi otworami, które pozwalały zmieniać odległości osi obrotu od środka masy tarczy;

-          pierścień metalowy, dla którego daje się zrealizować tylko jedno położenie osi obrotu względem środka masy;

-          suwmiarka do pomiaru odległości osi obrotu;

-          elektroniczny licznik okresów;

-          waga laboratoryjna do wyznaczenia masy tarczy i pierścienia.

4.              Przebieg ćwiczenia:

4.1.      Pomiary tarczy z otworami.

4.1.1.

a)              2d = 149mm ±0,1mm

d = 74,5mm = 0,0745m ±0,0001m

              T1 = 0,69646 s ± 0,00054 s

b)              2d = 98 mm ± 0,1 mm

             d = 49 mm = 0,049 m ± 0,0001 m