Учебный прибор по физике

 

Изобретение относится к учебным приборам по физике и позволяет повысить наглядность демонстрации и точности регистрации колебательногодвижения маятниковой колебательной системы . Маятниковые колебательные системы установлены в корпусе 1, подвешенном на упругодемпфируюш;ем подвесе, связанном со средством для регистра/тт Х ции перемещений корпуса 1 под воздействием маятниковых колебательных систем . Средство для задачи и регулировки частоты колебаний маятниковой колебательной системы состоит из двигатели 14, соединенного через понижающую зубчатую передачу имеющую шестерни 15, 16, кривошипно-кулисный механизм 17 и повышающую зубчатую передачу , имеющую шестерни 18, 19, с осью вращения 4 полого диска 13, упругий элемент выполнен в виде торсиона 3, одним концомпосредством конической передачи 20 связанного с осью вращения 4, а другим концом посредством натяжного устройства с корпусом 1. 2 ил. ю (Л ел 00 00

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ .

РЕСПУБЛИК

„Л0„„13005

А1 (50 4 G 09 В 23/08

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3837198/28-12 (22) 02.01.85 (46) 30.03.87. Бюл. N - 12 (75) В.А.Чернышев (53) 371.66(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР.

Ф 1229797, кл. G 09 В 23/08,05.07.85. (54) УЧЕБНЫЙ ПРИБОР ПО ФИЗИКЕ (57) Изобретение относится к учебным приборам по физике и позволяет повысить наглядность демонстрации и точности регистрации колебательного- движения маятниковой колебательной системы. Маятниковые колебательные сис/ темы установлены в корпусе 1, подвешенном на упругодемпфирующем подвесе, связанном со средством для регистрации перемещений корпуса 1 под воздействием маятниковых колебательных систем. Средство для задачи и регулировки частоты колебаний маятниковой колебательной системы состоит из двигателя 14, соединенного через понижающую зубчатую передачу имеющую шестерни 15, 16, кривошипно-кулисный механизм 17 и повышающую зубчатую передачу, имеющую шестерни 18, 19, с осью вращения 4 полого диска 13, упругий элемент выполнен в виде торсиона 3, одним концом посредством конической передачи 20 связанного с осью вращения 4, а другим концом посредством натяжного устройства с корпусом 1.

2 ил.

Изобретение относится к учебным приборам по физике и может быть использовано для демонстрации закона движения центра масс материальной системы тел. 5

Цель изобретения — повышение наглядности демонстрации и точности регистрации колебательного движения.

На фиг.1 схематически представлен учебный прибор; на фиг.2 — схема дей- 10 ствующих сил и моментов учебного прибора.

Учебный прибор по физике содержит корпус 1, кронштейн 2, торсион 3, две маятниковые колебательные системы, каждая из которых имеет ось вращения 4, маятниковую и сменную балансировочную инерционные массы 5 и 6 и снабжена средством для задачи и регулировки частоты ее колебаний, и средство для регистрации перемещений корпуса 1 при воздействии маятниковых колебательных систем.

Учебный прибор имеет также упругодемпфирующий подвес 7, связанный с корпусом 1 и кронштейном 2, средство для регистрации перемещений корпуса состоит из связанной с кронштейном 2 силоизмерительной пружины Ы, соединенного с ней и корпусом 1 коромысло30 вого стержня 9 с стрелочным указателем 10 на одном конце и уравновешивающим грузом 11 на другом конце и шкалы. регистрации перемещений 12.

При этом каждая маятниковая коле- 35 бательная система имеет полый диск

13 с размещенной в нем с возможностью свободного вращения сменной балансировочной массой 6 и жестко закрепленной маятниковой инерционной массой 5.

Средство для задачи и регулировки частоты колебаний каждой маятниковой колебательной системы состоит из двигателя 14, соединенного через понижающую зубчатую передачу, имеющую

45 шестерни 15 и 16, кривошипно-кулисный механизм 17 и повьппающую зубчатую передачу, имеющую шестерни 18 и 19 с осью вращения 4 маятниковой колеба50 тельной системы.

Торсион 3 одним концом посредством конической передачи 20 связан с осью вращения 4 каждой маятниковой колебательной системы, а вторым концом посредством натяжного устройства, состоящего иэ плунжера 21 с центральным отверстием, в котором расположен с возможностью поступательного пере38 2 мещения 22 с цилиндрической пружиной

23, и регулированных винтов 24 соединен с корпусом 1.

Учебный прибор работает следующим образом.

При работе двигателей 14 их вращающие моменты через шестерни 15 и 16, представляющие понижающий редуктор, приводят во вращение кривошипно-кулисный механизм 17, кулиса которого совершает при этом встречные угловые. колебательные движения (качания). Эти угловые колебания движения через повышающий редуктор 18 и 19 передаются осям вращения и каждой маятниковой колебательной системы, полые диски

13 которых вместе с маятниковыми 5 и балансировочными 6 инерционными массами совершают при этом встречные угловые (крутильные) движения с большой угловой амплитудой (У = Т/2), про— изводя закручивание торсиона 3 с частотой вынужденных угловых движений (вращений) полых дисков 13. В зависимости от соотношения частоты изменения приведенного к осям вращения 4 полых дисков 13 вращающегося момента к частоте свободных колебаний упругой системы: полые диски 13 — торсион 3, могут устанавливаться режимы вынужденных вращательных движений полых дисков 13 — дорезонансный, резонансный и послерезонансный. Каждому иэ этих режимов работы соответствует определенное силовое воздействие со стороны вращаемых полых дисков 13 вместе с маятниковыми 5 и балансировочными 6 инерционными массами на корпусе 1, который вместе с двигателями 14, зубчатыми передачами и кривошипно-кулисными механизмами представляет собой материальную систему тел учебного прибора. Под действием указанных силовых воздействий (силовых импульсов), положительная составляющая которых определяется амплитудой силы Р = К/q ы/, где К вЂ” коэффициент, определяемый величиной и геометрией инерционных масс; (/Q — амплитуда и угловая частота колебаний полого диска, корпус через упруго- ..— демпфирующий подвес 7 отклоняет стрелочный указатель 10 коромыслового стержня 9 от нулевого заданного положения, что фиксируется по шкале 12.

Упругодемпфирующий подвес 7 позволяет при этом ослаблять или полностью устранять не представляющие интереса вы1300538

d Z А dZ m-ш г + (b + cZ) 2 (K +cq)fsincp

E(q) dt Е(() dt

m-mg 1

-2 — -) 1(D eicos + (т-тв)2geinrP)leinq+ Alj cosq

) сокочастотные составляющие силовых импульсов, которые приводят к дрожанию стрелочного указателя 10 и мешают наблюдениям при демонстрациях, которые могут проводиться при действии различных (совместно действующих и разделенных) сил инерции маятниковых

5 и балансировочных 6 инерционных масс.

Режимы работы устройства при де- !О монстрации устанавливаются заданием соответствующей скорости вращения двигателя 14. При этом задаваемые значения скорости вращения этих двигателей определяются из теоретически 15 предсказываемого режима вертикальных колебаний только корпуса 1 на упругодемпфирующем подвесе 7, так как за период колебаний корпуса 1 коромысловый стержень 9 можно в первом приб- 20 лежении считать неподвижным. Колебания корпуса 1 и маятниковых колебательных систем определяются системой действующих сил и моментов схемы на фиг.2, где М вЂ” масса корпуса с двигателями 14, кулисными механизмами, понижающими и повышающими редукт торами;

m, I — масса и момент инерции маятниковых инерционных масс 5; 30 ш — масса балансировочных инерционных масс 6;

4 расстояние осей симметрии маятниковых 5 и балансировочных 6 инерционных масс от осей вращения 4 полых дисков 13;

m>, I — масса и момент инерции полых дисков 131

D,Ò,K — приведенные к осям 4 вращающий момент двигателя 14. жесткость торсиона 3 и коэффициент демпфирования крутильных колебаний; (1) — угол поворота полых дисков 13 от начального нулевого положения; с, Ь -жесткость и коэффициент демпфирования упругодемпфирующего подвеса 7; — ускорение силы тяжести, dZ " d Z ° 1(() — время; Z=, 2 = — —, (о =

dt dt (1

При использовании двигателей достаточной мощности можно пренебречь изменением заданной скорости их вращения под действием переменных моментов инерции маятниковых колебательных систем. Полагая, что Р = D sinut u учитывая связанность колебаний обеих маятниковых колебательных систем, колебательные движения корпуса 1 на упругодемпфирующем подвесе можно представить системой двух дифференциальных уравнений которое после подстановки значений преобразуется к виду

d(! m-mg dZ

+ — — — (K — +cy) — — — (Ь +cZ) Узin CI) =

Е (Ч2) dt Е (q)) dt

1 Г Г

= g(-) (H(D в(втв+(т-mg) Jgsinq)+2(m-тВ) 2 j conc(sing) (2) г ° гДе А = 2д + I + (m+m>) I p во время демонстрации, целесообраз%+2(шд + ш + ш ) )

45 но предварительно находить с испОльE ((p) A3-2 (m-шд) 3 sin (р, зованием ЗВИ. Приближенную оценку и выполняется условие ожидаемого решения системы дифференСЕо &+2(шд +ш+шд)g циальных уравнений и соответствующего результирующего воздействия колеследствие существенных диффеРен- 50 баний корпуса 1 через упругодемпфируциальных уравнений динамической моде- ющий подвес 7 на коромысловый стерли точное е решение системы для харак- жень 9 можно получить из уравнения терных ежимов р имов работы, исследуемых движения центра масс системы тел

ЯЕц.м d Z . (!г(В dt ) ("(1 г з п(+Х (--) (os ) (3) (!г q.M (!у — --z-— — = — (b — + С7,)

dt dt

1300538

dZ где -- и Z — функции времени, опре—

З деляемые из решения системы дифференциальных уравнений (I, 2) для различных И 5

Из последнего уравнения следует, что при m ф тп характерными режимаЕ ми работы устройства являются те,при которых Ы и, следовательно, задаваемая скорость вращения двигателей !4 !0 варьируется в области резонанса как для крутильных колебаний маятниковых колебательных систем, так и для вертитикальных колебаний корпуса на упругодемпфирующем подвесе 7. При совпа-!5 дении Q с каждой -из этих частот происходит резкое увеличение соответствующих колебаний, которое приводит, к уменьшению результирующего динамического воздействия корпуса 1 через упругодемпфирующий подвес 7 на коромы-словый стержень 9. Такое поведение учебного прибора объясняется фазовым сдвигом соответствующих вынужденных колебаний. При резонансе этот сдвиг равен .7i /2, после резонанса при достаточном удалении от него фазовый сдвиг приближается к 1, поэтому соответствующее результирующее динамическое воздействие на корпус приближается к величине, имевшей место в дореэонансной зоне колебаний, но с обратным знаком. Эти изменения результирующего динамического воздействия на коромысловый стержень 9 при- 35 водят к угловым поворотам последнего, которые регистрируются с помощью стрелочного уакзателя 10 и шкалы 12.

Учебный прибор обеспечивает, таким образом,,существенное повышение наглядности колебательного движения исследуемой материальной системы тел,, подвешенной на упругодемпфирующем 4> подвесе 7, и может быть использован как для демонстрационных целей для больших групп обучающихся, так и для научно-исследовательских целей.

Формула изобретения

Учебный прибор по физике, содержащий корпус, кронштейн, торсион, две маятниковые колебательные системы, каждая из которых имеет ось вращения, матниковую и сменную балансировочную инерционные массы и снабжена средством для задачи и регулировки частоты ее колебаний, и средство для регистрации перемещений корпуса под воздействием маятниковых колебательных систем, отличающийся тем, что, с целью повышения наглядности демонстрации и точности регистрации колебательного движения, он имеет упругодемпфирующий подвес, связанный с корпусом и кронштейном, а средство для регистрации перемещений корпуса состоит иэ связанной с кронштейном силоизмерительной пружины и соединенного с ней и с корпусом коромыслового стержня со стрелочным указателем на одном конце и уравновешивающим грузом на другом конце, при этом каждая маятниковая колебательная система имеет диск с размещенной в нем с возможностью свободного вращения сменной балансировочной массой и жестко закрепленной маятниковой инерционной массой, а средство для задачи и регулировки частоты колебаний каждой маятниковой колебательной системы состоит из двигателя, соединенного через понижающую зубчатую передачу, кривошипно-кулисный механизм и повышающую зубчатую переда-. чу с осью вращения маятниковой колебательной системы, причем торсион одним концом посредством конической передачи связан с осью вращения каждой маятниковой колебательной системы, а вторым концом посредством натяжного устройства соединен с корпусом.

1300538

Составитель Т.Григорян

Редактор Н.Горват Техред А.Кравчук Корректор Н.Король

Заказ 1155/51 Тираж 434 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5

Производственно-полиграфическое предприятие,г.ужгород,ул.Проектная,4