Прибор для демонстрации действия кориолисовой силы инерции

 

Изобретение относится к учебным пособиям по физике и теоретической механике. Цель - повышение наглядности при упрощении устройства и расширения его демонстрационных возможностей. Сущность изобретения: прибор для демонстрации действия кориолисовой силы инерции содержит основание, вертикальную стойку, подвижные грузы, желоба грузов, каретку, направляющую с упором, втулку, противовес, фланец направляющей, оси втулки, фиксатор фланца, шкалы желобов, динамометрические указатели в виде упругих пластин на бортах желобов, пружину каретки с втулкой и стопором, установленные в кожухе, рычаг удержания каретки, шестерни поворота кулачка, ограничительные пластины грузов. Перед демонстрацией каретки с грузами удерживается рычагом, грузы удерживаются пластинами, а пружина поджата втулкой. Затем направляющей вручную сообщается угловая скорость относительно оси вертикальной стойки. При подъеме рычага кулачком каретка с грузами освобождается и начинает перемещаться по направляющей, поворачиваются пластины, предоставляя возможность грузам перемещаться по желобам под действием поворотного ускорения. 2 ил.

Изобретение относится к учебным пособиям по физике и теоретической механике и может быть использовано в учебном процессе на лекциях, лабораторных и практических занятиях для наглядной демонстрации группе слушателей действия сил Кориолиса.

Известен прибор для демонстрации действия кориолисовой силы инерции, содержащий установленную на основании стойку, направляющую, связанную со стойкой с возможностью вращения вокруг вертикальной оси, подвижный относительно направляющей и связанный с ним дополнительный груз и средство для установки дополнительного груза под заданным углом к оси вращения, размещенное перпендикулярно направляющей, которая выполнена в виде правильного многогранника, имеющего в месте соединения со стойкой цилиндрический участок, средство для установки дополнительного груза под заданным углом содержит жестко связанную с подвижным грузом шайбу и установленные в подвижном грузе перпендикулярно направляющей стержень и фиксатор его перемещения, при этом дополнительный груз выполнен сменным и закреплен на стержне, а отверстие в шайбе имеет форму правильного многоугольника, соответствующего профилю направляющей.

Данный учебный прибор позволяет повысить наглядность демонстрации действия кориолисовой силы инерции и зависимость величины поворотного ускорения от массы дополнительного груза, но является сложным по конструкции.

Наиболее близким по конструктивным признакам к предлагаемому устройству является прибор для демонстрации действия кориолисовой силы инерции, содержащий платформу, установленную на основании с возможностью вращения относительно вертикальной оси, регистрирующую шкалу с разметкой параметра, характеризующего величину действующей силы, динамометрический указатель, материальную точку, направляющую ее перемещения, смонтированную на платформе, дополнительный динамометрический указатель и два подвижно установленных на платформе визира шкалы с возможностью взаимодействия с динамометрическими указателями, при этом последние выполнены в виде консольно закрепленных на платформе пластин, образующих сопряженный с направляющей желоб, а направляющая расположена вертикально над платформой.

Данный прибор не позволяет продемонстрировать зависимость кориолисова ускорения от величины угла между векторами относительной скорости и вектором скорости переносного движения и громоздок по конструкции.

Целью изобретения является повышение наглядности при упрощении устройства и расширении его демонстрационных возможностей.

Данная цель достигается тем, что прибор для демонстрации действия кориолисовой силы инерции, содержащий основание, вертикальную стойку, платформу, установленную с возможностью вращения относительно вертикальной оси стойки, регистрирующую шкалу с разметкой параметра, характеризующего величину действующей силы, динамометрический указатель, материальную точку и направляющую ее перемещения, связанную с платформой, он содержит втулку, установленную на стойке, вторую материальную точку, отличную по массе от первой, желоба перемещения материальных точек и механизм изменения поджатия каретки и втулке, при этом направляющая перемещения материальных точек выполнена в виде пластины с продольными полками и закреплена консольно на оси втулки с возможностью установки под заданным углом относительно вертикальной оси стойки, платформа выполнена в виде подвижной каретки, установленной на направляющей, желоба укреплены сверху каретки перпендикулярно направляющей и содержат регистрирующие шкалы, механизм поджатия каретки содержит пружину и подвижную втулку со стопором, которые установлены в кожухе и закреплены снизу каретки, а динамометрические указатели выполнены в виде упругих элементов, укрепленных дискретно на одном из внутренних бортов каждого желоба с возможностью взаимодействия с шаровыми грузами, причем их жесткость монотонно возрастает от центра шкал и минимальное значение жесткости каждого последующего элемента равно максимальному значению жесткости предыдущего.

На фиг. 1 изображен прибор, общий вид; на фиг.2 - направляющая с грузами.

Прибор для демонстрации действия кориолисовой силы инерции содержит основание 1, вертикальную стойку 2, подвижные грузы 3, установленные на желобах 4, которые укреплены на каретке 5, перемещающейся вместе с ней по направляющей 6, имеющей на конце упор 7. Направляющая 6 укреплена на втулке 8, которая установлена с помощью подшипников 9 на вертикальной стойке 2. С противоположной стороны втулки 8 укреплен противовес 10. Направляющая 6 выполнена в виде пластины, которая усилена снизу продольными полками 11 и содержит фланец 12, с помощью которого она крепится на поперечной оси 13 втулки 8 с возможностью поворота пластины под заданным углом относительно стойки 2 и контрится фиксатором 14. Желоба 14 укреплены сверху каретки 5, содержат регистрирующие шкалы 15 с разметкой параметра, характеризующего величину действующей силы, и динамометрические указатели, которые выполнены в виде ряда консольно закрепленных на одном из внутренних бортов 16 каждого желоба упругих пластин 17 на уровне диаметра грузов, причем борта 16 желобов изогнуты по радиусу, равному длине направляющей 6, а грузы различаются по диаметру и массе. Снизу каретки 5 установлен механизм поджатия каретки, который содержит пружину 18 и подвижную втулку 19 со стопором 20, укрепленные в кожухе 21.

На втулке 8 установлен рычаг 22, входящий своим концом в зацепление с отверстием 23, выполненным на каретке, а серединой взаимодействующий с механизмом его поворота, который содержит ведущую шестерню 24, жестко укрепленную на стойке 2, и ведомую шестерню 25, установленную на втулке 8, кулачок 26, установленный на поверхности шестерни 25, который взаимодействует с рычагом 22.

Для фиксации подвижных грузов 3 относительно нулевых делений шкал 15 на направляющей 6 установлены пружинные боковые упоры 27, которые выставляются через продольные прорези 28, выполненные в каретке и в желобах.

Прибор работает следующим образом.

Перед демонстрацией каретка 5 находится у вертикальной стойки 2 и удерживается от перемещения по направляющей 6 рычагом 22. Подвижные грузы 3 находятся в среднем положении шкал 15 и удерживаются от бокового перемещения пружинными боковыми упорами 27. Направляющая 6 устанавливается с заданным углом относительно стойки 2 и контрится фиксатором 14. Пружине 18 механизма поджатия каретки с помощью втулки 19 придается необходимое начальное сжатие, а положение втулки 19 фиксируется стопором 20.

Для демонстрации кориолисова ускорения направляющей 6 вместе с кареткой 5 и связанными с ней желобами 4 и грузами 3 и противовесу 10 вручную (в любую сторону) сообщается угловая скорость относительно оси вертикальной стойки 2.

Во время раскрутки и вращения по инерции направляющей 6 с расположенными на ней кареткой 5, желобами 4 и грузами 3 и противовеса, ведомая шестерня 25 механизма поворота рычага 22 обкатывается около ведущей шестерни 24 данного механизма и перемещает с некоторой угловой скоростью кулачок 26. При взаимодействии кулачка 26 с рычагом 22 последний перемещается вверх, в результате чего конец рычага 22 выходит из зацепления с отверстием 23 каретки 5, освобождая тем самым каретку 5 и подвижные грузы 3.

Под действием первоначальной силы инерции и силы сжатой пружины 18 каретка 5 с грузами 3 и желобами 4 начинает перемещаться к концу направляющей 6, в результате чего пружинные боковые упоры 27 утапливаются кареткой, предоставляя тем самым возможность перемещаться грузам 3 по желобам.

При перемещении каретки 5 с желобами 4 и грузами 3 по направляющей 6, в силу присущей массам грузов 3 инерции они начинают под действием переносной силы инерции перемещаться относительно каретки по желобам 4 в плоскости, перпендикулярной направляющей 6, преодолевая силу упругости пластин 17 динамометрических указателей. По величине отклонения грузов 3 относительно делений шкалы судят о величине и направлении поворотного ускорения и независимости величины поворотного ускорения от массы грузов. Затем прибор приводят в исходное состояние, расконтрив фиксатор 14 фланца 12 направляющей 6, создают ей заданный угол наклона относительно вертикали и фиксирует ее в этом новом положении.

После этого повторяют опыт в той же последовательности, замеряя те же параметры. При этом отмечают, что ускорение Кориолиса уменьшается в том случае, когда вектор относительной скорости направлен не перпендикулярно оси переносного вращения.

Затем изменяют величину поджатия каретки 5 к втулке 8 путем сжатия пружины 18 с помощью втулки 19 со стопором 20 и наблюдают влияние изменения величины относительной скорости грузов на поворотное ускорение.

Применение предлагаемого прибора позволит повысить наглядность демонстрации действия кориолисовой силы инерции и зависимость величины поворотного ускорения от массы грузов, от величины угла между вектором относительной скорости и вектором переносной скорости, и от величины относительной скорости при изучении соответствующих курсов физики и теоретической механики.

Формула изобретения

ПРИБОР ДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИИ ДЕЙСТВИЯ КОРИОЛИСОВОЙ СИЛЫ ИНЕРЦИИ, содержащий основание, вертикальную стойку, платформу, установленную с возможностью вращения относительно вертикальной оси стойки, регистрирующую шкалу с разметкой параметра, характеризующего величину действующей силы, динамометрический указатель, материальную точку в виде шарового груза и направляющую ее перемещения, связанную с платформой, отличающийся тем, что, с целью повышения наглядности при упрощении устройства и расширения его демонстрационных возможностей, он содержит втулку, установленную на стойке, вторую материальную точку, отличную по массе от первой, желоба перемещения материальных точек и механизм изменения поджатия каретки к втулке, при этом направляющая перемещения материальных точек выполнена в виде пластины с продольными полками и закреплена консольно на оси втулки с возможностью установки под заданным углом относительно вертикальной оси стойки, платформа выполнена в виде подвижной каретки, установленной на направляющей, желоба укреплены сверху каретки перпендикулярно направляющей и содержат регистрирующие шкалы, механизм поджатия каретки содержит пружину и подвижную втулку со стопором, которые установлены в кожухе и закреплены снизу каретки, а динамометрические указатели выполнены в виде упругих элементов, укрепленных дискретно на одном из внутренних бортов каждого желоба с возможностью взаимодействия с шаровыми грузами, причем их жесткость монотонно возрастает от центра шкал и минимальное значение жесткости каждого последующего элемента равно максимальному значению жесткости предыдущего.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2