西安交通大学理论力学小组大作业报告

西安交通大学理论力学小组大作业报告

组员：李鲁熙，钟锦涛，王瑞杰，靳宇栋，陈云翔，曾云豪，王涛

实验时间：2014-2015学期下

实验主要内容：搭建桁架，多点摩擦，柔性摩擦，三线摆测物体转动惯量

理论力学实验报告

——桁架

（一）实验准备

小组成员：李鲁熙王瑞杰陈云翔曾云豪靳宇栋王涛钟锦涛

总计实验时间：26小时

实验器材：一次性筷子、大头针、手电钻、卷尺、锯子

（二）设计思路

为了利用三角形的稳定性，我们将桁架的顶端设计成成了三角形。这样一来底面只能是三角形或六边形。如果底面是三角形，桁架只有三个侧面，而如果底面是六边形，那么桁架会有六个侧面。为了增加桁架的载重量，我们选择了六边形地面。

相对于增加载重量，我们在减轻桁架自身重量上下了更多的功夫。我们将桁架的六个侧面分为两个种类。一种侧面主要用于承载重量，因此这种侧面上的杆件是斜着的，这样就可以将施于桁架上的力分散到下面。另一种侧面主要用于防止桁架变形，因为桁架的侧面都是倾斜着的，所以在加上重物的时候可能会变形压向某一侧面。因此这种侧面上的杆件都是水平的，起着相当于固定每个竖直杆件的作用。

（三）搭建过程

在搭建桁架时首先要决定杆件之间如何连接，对于这个细节我们采用的方法是将两根杆件重叠一部分，然后再重叠的部分上加一块很短的杆件，再用手电钻打孔将大头针插入并固

定。

我们首先搭建三个杆件是倾斜的侧面，为了使最后的桁架有良好的载重性，我们在搭建时尽量保证这三个侧面尺寸相同。然后将这三个侧面组合起来便可以得到桁架的主体结构。但是我们经过尝试发现将这三个侧面整齐地组合起来很困难，因为这些侧面很大而且很难立起来钻孔。最后我们在地面上铺一张纸，纸上面画一个和设计桁架底面相同的正五边形。将三个侧面的一个底边分别对在五边形的三个对边上，再将它们立起来从上到下用大头针固定。在搭建好主体结构后，我们再在新形成的三个侧面上分别搭上相等数量的水平杆件便完

成了搭建。

（四）问题及解决方案

在此次实验中我们遇到的最大的问题就是很难把三个侧面整齐的组装起来。我们在第一次搭建时是先将两个侧面连接起来，然后再将第三个侧面分别与两个侧面连接。最后发现整个桁架发生了严重变形，根本无法载重，原因就是三个侧面的高低不同。

后来我们只好重新搭建三个侧面并将他们用上述的方法立在地面上。将最上面的一圈大头针固定好后，再固定下面的，每次都将三个侧面同时固定。最后经过努力终于解决了这个棘手的问题。

（五）实验心得体会

这次实验给我们很大的一个感悟就是理想与现实的巨大差距。在搭建桁架时我们遇到了许许多多的问题。将设计好的方案变成现实甚至要难过设计这个方案。所以今后在设计方案时一定要多方面考虑，一定要想到实施方案时可能遇到的问题。还有就是我们要善于利用课本上的知识。一直以来我们学习课本都是为了在考试中考个好成绩，所以养成了一种“死读书”的习惯，看似学会了一些知识但却不能将它们应用到现实中。这次我们便感觉自己基本上没有什么知识可以用到这个实验中，做的时候有些茫然。非常感谢这次实验让我们学到很多。希望以后能有更多和这次类似的实验机会，让我们能在实际中应用知识并学到新的知识。

理论力学实验报告

——多点摩擦

（一）实验准备

小组成员：靳宇栋李鲁熙王瑞杰陈云翔曾云豪王涛钟锦涛

总计实验时间：3小时

试验步骤：

初步试验

开始时，我们试着搭两个尺子，由于没有增加摩擦系数，我们甚至无法在任何角度搭起两个尺子。

增大摩擦系数

下来我们开始着手增大两个尺子之间、尺子与地面之间的摩擦系数，我们将砂纸附着在尺子与桌面上，经此一举两个尺子可以轻易地被搭起来。

减小摩擦系数

我们试过用光面的纸附着在墙上来减少尺子和墙面的摩擦系数，但在实际试验中，发现这样对实验结果只有微乎其微的影响。

我们用尺子分别在墙面和光面纸上滑动，发现阻力都是比较小的。

我们推测，可能是由于在搭的很高的时候，尺子重力在墙面方向的分量很小，相应的摩擦力也很小，所以墙面和尺子之间摩擦系数的变化对实验数据的影响也非常小。

将尺子搭到最高，测量数据

有了砂纸的帮助后，尺子可以被搭的很高，如下图所示。

推导摩擦系数与两角度之间的关系式，计算摩擦系数

注释：

L = 30 cm 尺子长度

设：

H 为总高度，

h 为底下尺子高度，

D 为底下尺子在地上宽度，

α为上端尺子与墙面夹角，

β为下端尺子与墙面夹角。

如下图所示：

∴两角度计算表达式：，

设两尺子间的摩擦系数阈值为，下方尺子与地面间的摩擦系数阈值为。

下面计算摩擦系数阈值与两角度的关系式

上图为上方尺子受力图，可列式：而两尺子之间摩擦系数阈值，

化简可得

上图为下方尺子受力图，可列式：而尺子与地面之间摩擦系数阈值，

化简可得

我们取了几次搭的比较高的值，代入计算了摩擦系数阈值，并取平均值，结果如下：

理论力学实验报告

——柔性摩擦

一．实验原理

人们在劳动中发现，当船只停靠在码头时，只要将缆绳在木桩上缠绕数圈后，自由端上只要施加很小的力，便可将船只固定住。假设一柔索绕一圆柱体，缠绕的角度为θ，一端有一较小的力0T ，则另一端可产生很大的拉力T ，经过推导可得出一下关系式：

二．实验过程

1.实验器材：

一条柔索，电子称，细沙，砖块，塑料桶，0.5kg 、1kg 砝码各一个 2.实验步骤：

将0.5kg 砝码系于绳子一段，将绳子缠绕圆筒半圈，一圈半，两圈半，在另一端悬挂一沙桶，调整沙子质量，使沙桶恰能匀速下降。

称量沙子与桶总质量，将绳子两端负载换算成重力，计砝码重力T0，沙子与桶总重力为T 。

代入公式，计算所得k 值即为滑动摩擦系数。 分别更改砝码质量及绳索粗细，重复上述实验。

H/cm h/cm D/cm L/cm β/弧度 α/弧度

尺子间 摩擦系数阈值 μ1 尺子与地面间摩擦系数阈值μ2 1 55 26 15 30.02 0.5232783 0.019433 0.583370086 0.421750486 2 55.3 27.1 13 30.06 0.4472800 0.029431 0.490957687 0.343241969 3 54.8 27.6 13.1 30.55 0.4431527 0.051457 0.494346668 0.325906201 平均

55.03

26.90

13.70

30.19

0.4710549

0.034366

0.5219142

0.362410685