Модуль сдвига
6/10Известно, что если коэффициент жёсткости пружины, намотанной виток к витку, не меняется при удлинении пружины, то его можно рассчитать по формуле \(k = \dfrac{G\,(D_в)^4}{8\,N_в\,(D_{пр})^3}\), где \(G\) — модуль сдвига (некоторая константа, которая зависит от рода вещества, из которого изготовлена пружина), \(D_в\) — диаметр металлической проволоки, из которой изготовлена пружина, \(D_{пр}\) — диаметр пружины (в расчёт берётся средняя величина), \(N_в\) — число витков пружины.
Используя выданное вам оборудование, проверьте зависимость коэффициента жёсткости пружины от числа витков, построив график этой зависимости в таких осях, где она будет линейной. По полученному графику определите модуль сдвига материала, из которого изготовлена пружина.
Оборудование: медная проволока (короткий и длинный куски), железный стержень для намотки пружины, электронные весы, цилиндрический груз, линейка, ножницы, два листа миллиметровки для построения графиков, штатив с лапкой, нитки — по требованию.
▶Показать разборСкрыть разбор
ПодсказкаДиаметры проволоки и пружины можно определить методом рядов: намотайте много витков вплотную и поделите длину на число витков. Линеаризуйте график \(k\) от \(1/N_в\).
ОтветПо решению организаторов \(G \approx 67\) ГПа; по критериям допустимый диапазон \(45\)–\(80\) ГПа.
РешениеЖёсткость пружины измеряют при малых нагрузках, где выполняется закон Гука, и усредняют для пружин с разным числом витков. Точки \(k\) от \(1/N_в\) ложатся на прямую с наклоном \(a = \dfrac{G (D_в)^4}{8 (D_{пр})^3}\), откуда \(G = \dfrac{8\,a\,(D_{пр})^3}{(D_в)^4}\). По измерениям \(a \approx 412\) Н/м, \(D_в \approx 0{,}52\) мм, \(D_{пр} \approx 11{,}4\) мм, и \(G \approx 67\) ГПа. Значение отличается от табличного, так как проволока была покрыта медью, а внутри была железная основа.
Похожие задачи
- Резиновый трос и груз СПбГУ 2010/11, 10 кл.
- Диск на пружинках МОШ 2013/14, 8 кл.
- Балка на блоках с пружиной Санкт-Петербургская 2013/14, 8 кл.
- Телескопический амортизатор с рамками Санкт-Петербургская 2013/14, 8 кл.
- Колонны Исаакиевского собора ИОШ 2014/15, 9-10 кл.
- Паутина с пауком Санкт-Петербургская 2014/15, 11 кл.