$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
L'inerzia rotazionale caratterizza la relazione tra la coppia e l'accelerazione rotazionale di un oggetto.
L'inerzia è la resistenza che un oggetto ha a un cambiamento nel suo stato di movimento. Nella cinematica lineare, il concetto di inerzia è direttamente correlato alla massa di un oggetto. Più un oggetto è massiccio, maggiore è la forza necessaria per accelerarlo.
Nella cinematica rotazionale, il concetto è definito come inerzia rotazionale, che è la resistenza di un oggetto ad essere accelerato rotazionalmente. L'inerzia rotazionale, indicata con la lettera I, dipende non solo dalla massa, ma anche dalla distanza della massa dal centro di rotazione, o r. E matematicamente, è dato dalla formula I uguale a m*r-quadrato.
Si noti che se c'è più di un oggetto rotante, allora l'inerzia rotazionale dell'intero sistema è la somma delle singole inerzie rotazionali -- data da questa formula dove i minuscola è per il numero di oggetti sottoposti a rotazione.
Questo video mostrerà come misurare teoricamente e sperimentalmente l'inerzia rotazionale di un braccio rotante con e senza masse attaccate.
Prima di entrare nei dettagli del protocollo, parliamo del set-up sperimentale e delle leggi ed equazioni che governano l'inerzia rotazionale in questo sistema.
Il primo set-up è costituito da un asse, che è libero di ruotare attorno a un asse di rotazione. Quindi c'è un peso attaccato a una corda e la corda viene avvolta attorno all'asse, in modo tale che il peso sia vicino all'asta.
Quando il peso viene rilasciato, la tensione nella corda fornisce la forza per la rotazione dell'asta. L'inerzia rotazionale, nota anche come momento d'inerzia o massa angolare o I di questa asta, può essere calcolata sperimentalmente utilizzando questa formula. Qui, r è il raggio dell'asse, m è la massa dell'oggetto che cade, t è il tempo che l'oggetto impiega per cadere a una distanza misurata d, e g è l'accelerazione dovuta alla gravità
In teoria, il momento d'inerzia di qualsiasi asta cilindrica è dato da questa formula, dove M è la massa dell'asta e L è la lunghezza dell'asta.
Nel prossimo esperimento, riavvolgeremo la corda e attaccheremo due masse identiche all'asta alla stessa distanza x dal centro. Queste due masse hanno un proprio momento d'inerzia, teoricamente dato dalla formula I uguale a due volte m x-quadrato.
Ora, quando il peso viene rilasciato, l'asta girerà di nuovo. In questo caso, l'inerzia sperimentale del sistema – data dalla formula precedentemente discussa – terrà conto sia dell'inerzia delle due masse che dell'inerzia dell'asta. Pertanto, sottraendo da questo valore l'inerzia dell'asta ottenuta nel primo esperimento, si otterrà l'inerzia rotazionale sperimentale delle sole masse in questo sistema.
Ora che hai capito come calcolare teoricamente e sperimentalmente le inerzie rotazionali per gli elementi di questo sistema, vediamo come impostare l'esperimento e come registrare i valori
Come discusso, il primo esperimento misura il momento di inerzia della sola canna rotante. Prendi la corda attaccata al peso e avvolgila attorno all'asse finché il peso non è vicino al braccio. Abbassa il peso. Misura e registra la distanza percorsa e il tempo necessario per cadere.
Avvolgi la corda e lascia cadere il peso altre tre volte. Utilizzare i risultati di queste prove per calcolare il momento d'inerzia medio per la canna da rotazione, quindi calcolare il valore teorico.
La prossima serie di esperimenti richiede il posizionamento di masse aggiuntive sull'asta. Posiziona due masse da 1 chilogrammo sui lati opposti dell'asta, ciascuna a 20 centimetri dal centro.
Avvolgere la corda attorno all'asse fino a quando il peso non è vicino al braccio. Come prima, rilascia il peso e misura la distanza in cui cade e il tempo necessario per cadere. Ripetere questa procedura altre tre volte.
Con questi risultati sperimentali, calcolare il momento d'inerzia totale medio per l'asta da spinning con masse attaccate.
Per studiare l'effetto della distanza sul momento d'inerzia, riposizionare le masse di 1 chilogrammo in modo che siano ciascuna a 10 centimetri dal centro dell'asta.
Eseguire la procedura sperimentale quattro volte e notare qualsiasi effetto sulla velocità di centrifuga. Calcola il nuovo momento d'inerzia medio solo per le masse e registra il risultato.
Infine, per analizzare l'effetto della massa sul momento d'inerzia, cambia le due masse in modo che siano ciascuna di 2 chilogrammi e riposizionale in modo che siano a 20 centimetri dal centro dell'asta.
Eseguire la procedura sperimentale quattro volte e notare nuovamente qualsiasi cambiamento nel comportamento della canna da spinning. Calcola il nuovo momento d'inerzia medio solo per le masse e registra il risultato.
I valori teorici e sperimentali per il momento d'inerzia dell'asta, e delle sole masse attaccate, concordano abbastanza bene, confermando le equazioni che descrivono l'inerzia rotazionale. Le limitazioni nell'accuratezza della misurazione spiegano la differenza percentuale tra i risultati attesi e quelli effettivi.
Poiché il momento d'inerzia è proporzionale alla massa, il risultato per le masse di 1 chilogrammo posizionate a 20 centimetri dall'asse di rotazione è la metà di quello delle masse di 2 chilogrammi alla stessa distanza.
Il momento d'inerzia per le masse rotanti è anche proporzionale al quadrato della distanza dall'asse di rotazione. Le masse di 1 chilogrammo situate a 20 centimetri dal centro hanno il doppio della distanza e, come previsto, quattro volte il momento d'inerzia rispetto alle stesse masse a 10 centimetri.
L'inerzia rotazionale è un effetto importante e può essere utilizzata vantaggiosamente in molte situazioni.
Un funambolo porta un lungo palo per aumentare il suo momento d'inerzia rispetto all'uso delle sole braccia. A causa della maggiore inerzia rotazionale, il palo rimane stabile e orizzontale, consentendo al funambolo di rimanere in equilibrio
Le ruote di un'auto o di qualsiasi veicolo concentrano la maggior parte della loro massa sul lato esterno, mantenendo il centro relativamente leggero. Questa configurazione a cerchio non è solo più leggera, ma ha anche un'inerzia rotazionale inferiore rispetto a un disco solido.
Di conseguenza, è necessaria meno coppia per far girare e fermare la ruota, riducendo le richieste al motore durante l'accelerazione e la decelerazione.
Hai appena visto l'introduzione di JoVE all'inerzia rotazionale. Dovresti ora capire cos'è il momento d'inerzia e come dipende dalla massa e dalla distanza dal centro di rotazione. Come sempre, grazie per la visione!