Движение плиты гетинакса в воде

Движение плиты гетинакса в воде

Движение плиты гетинакса в воде

Оборудование и материалы: Плита гетинакса (23см *26,5см*0,4см), mт=0,34 кг,

Ρт=1400 кг/м3, емкость с водой (ванна), секундомер, измерительная линейка, транспортир.

Цель работы: Описание движения тела в воде, опущенного в воду под углом к горизонту (поверхности воды) и объяснение этого движения на основе законов динамики.

Теоретическая часть

При движении тел в жидкости возникают силы сопротивления. Происхождение этих сил можно объяснить двумя разными механизмами. При небольших скоростях, когда за телом нет вихрей (ламинарное течение, идеальное обтекание), сила сопротивления обуславливается только вязкостью жидкости. В этом случае прилегающие к телу слои жидкости движутся вместе с телом. Но граничащие с ними слои также увлекаются в движение силами молекулярного сцепления. Так создаются силы, тормозящие относительное движение твердого тела и жидкости.

Для описания любого движения необходимо применять законы Ньютона. Запишем 2-й закон Ньютона в векторной форме:

Рассчитать силу сопротивления можно следующим образом:
, где: - коэффициент сопротивления; - плотность среды, например, воды;- скорость движения тела; – площадь поверхности тела, подверженная сопротивлению (лобовая площадь все равно не очень точно определено понятие). Сила направлена против движения тела. Для плоской плиты =1,28 Коэффициент зависит от ориентации пластины?!

Начальное положение тела, перед началом погружения его в воду.

Появление плеча силы в ходе погружения тела в воду под некоторым углом a.

u – это скорость? Почему она так направлена?

Вращательное движение тела в воде, в результате сопротивлению движению.

Так как FA и Fтяж в после полного погружения тела в воду приложены к центру масс тела и коллинеарны ( вектора сил параллельны), то за вращательное движение в основном отвечает Fсопр, возникающая вследствие движения тела в водной среде. Очень важный момент, но он тобой не объяснен!

Тело двигается в воде с замедлением.

Крайнее (???) положение плиты гетинакса в воде, после погружения.

Рассмотрим тело в воде в данный момент времени.

В результате того, что на глубине давление больше, чем у поверхности, то ускорение тела нижнего конца тела будет меньше, чем у верхнего (и к чему это приведет?). Также движение по оси OY затрудняется тем, что Sx>>Sy. В связи со всем вышеперечисленным скорость тела будет направлена не перпендикулярно ко дну, а с некоторым отклонением от оси OX (в какую сторону и почему?).

Прямолинейное, неравномерное движение тела в жидкости опущенного под углом a=0о

Тело погружается в воду и совершает неравноускоренное, прямолинейное движение.

Рассчитаем FA:

, где ρ – плотность жидкости, g – ускорение свободного падения,

- объем погруженной части тела. FA направлена перпендикулярно к поверхности жидкости (параллельно Fтяж тела, но в противоположном направлении)

Так как Fсопр. зависит от скорости тела, а движение с ускорением, то тело движется с изменяющимся ускорением. Также при погружении объемного тела в воду под некоторым углом, отличным от 00 и 900, тела совершает вращательное движение, в связи с тем, что точки приложения сил FA, Fсопр и Fтяж – различны – сила тяжести приложена к центру тела, а силы FA, Fсопр – к подводной части тела (плиты гетинакса). FA и Fтяж в после полного погружения тела в воду приложены к центру масс тела и коллинеарны

(вектора сил параллельны), то за вращательное движение в основном отвечает Fсопр, возникающая вследствие движения тела в водной среде.

Практическая часть

1)  Наполнил водой емкость до высоты h = 20 см;

2)  Пустил плиту гетинакса в воду под некоторым углом 0 , измеренным транспортиром приблизительно, к поверхности воды, запустил секундомер.

3)  Пронаблюдал за движением плиты гетинакса в жидкости.

4)  Когда плита коснулась дна емкости, остановил секундомер, записал время t.

5)  Провел серию экспериментов, вывел среднее значение времени.

6)  Провел серию экспериментов при различных углах к горизонту.

7)  Изменил высоту жидкости до H = 30 см.

8)  Провел вторую серию экспериментов с плитой гетинакса.

9)  По полученным данным составил таблицу зависимости времени погружения тела (плиты гетинакса) в воду от угла и уровня налитой в емкость жидкости.

, где n - количество экспериментов, а t1 – tn - время, за которое тело опускалось на дно в каждом эксперименте.

Таблица зависимости времени погружения тела (плиты гетинакса) в воду от угла и уровня налитой в емкость жидкости

H, см	,	tср, с
20	60	5,11	5,04
	4,98
	5,03
	45	5,23	5,25
	5,32
	5,21
	0	5,84	5,87
	5,98
	5,79
	30	5,47	5,4
	5,34
	5,39
	90	0,56	0,52
	0,51
	0,49
30	60	5,62	5,61
	5,67
	5,54
	45	5,83	5,78
	5,7
	5,81
	0	6,25	6,32
	6,29
	6,42
	30	6,11	6,09
	6,13
	6,03
	90	0,69	0,63
	0,58
	0,62

Экспериментальны точки на графике нужно отображать маркерами, а по точкам проводить линию тренда.

Результаты интересные, но что-то они у меня вызывают сомнения?

Вывод

В результате работы пронаблюдал за движение тела (плиты гетинакса) в воде, погружаемого в воду с определенным расстоянием до дна и из разных положений плоскости тела относительно поверхности воды. Описал движение тела в воде и объяснил характер этого движения на основе законов динамики.

Выяснил, что ускорение тела движущегося в воде, непостоянно. Установил, что тело, опущенное в воду под некоторым углом, отличающимся от 0, совершает поступательное и вращательное движение под влиянием сил, действующих на тело в водной среде. Тело, опущенное воду под углом a=0о, будет совершать прямолинейное неравномерное движение.

Объяснения туманноватые, поставить больше «4» не могу.