Способ определения скорости движения тела у поверхности жидкости
Владельцы патента RU 2295729:
Муниципальное общеобразовательное учреждение Лицей №11 г.Челябинская (RU)
Использование: область экспериментальных способов измерения скорости неравномерного движения тела с переменным ускорением у поверхности жидкости. Техническим результатом является возможность точного замера текущей скорости движения тела у поверхности жидкости после прохождения им определенного пути в жидкости с учетом его погружения на разную глубину. Сущность: тело помещают в жидкость на определенную глубину, после чего к нему прикладывают силу Архимеда и разгоняют в жидкости с последующим торможением в воздухе до полной остановки. После этого измеряют путь торможения тела, по величине которого определяют текущую скорость тела у поверхности жидкости. 1 ил.
Изобретение относится к области экспериментальных способов измерения скорости неравномерного движения тела в различной жидкости, достигаемой телом у поверхности жидкости после его погружения в данную жидкость на заданную глубину и последующего движения вверх до границы раздела «жидкость-воздух».
Известен способ определения скорости движения тела с помощью машины Аттвуда, заключающийся в том, что с помощью электронных контактов измеряют время перемещения тела на заданную величину, а затем рассчитывают среднюю скорость движения тела в пределах заданного участка пути [1]. Недостатком данного способа является ограниченная область его применения для измерения средней скорости движения тела в пределах выбранного мерного участка пути.
Наиболее близким по технической скорости и достигаемому эффекту к предлагаемому изобретению является способ определения скорости движения тела в жидкости, включающий разгон тела в жидкости и измерение времени прохождения телом двух одинаковых последовательно расположенных в данной жидкости одинаковых мерных участков, после чего по расчетной формуле определяют среднюю скорость установившегося движения тела внутри данной жидкости [2].
Недостатком этого способа являются ограниченные возможности его применения, позволяющие определять мгновенное значение тела у поверхности жидкости после прохождения им определенного пути, равного глубине погружения (т.е. мгновенной скорости тела на границе раздела разных сред типа «жидкость-воздух»). Согласно [3] известно, что движение тела в жидкости происходит по сложному нелинейному экспоненциальному закону с переменной скоростью и ускорением в зависимости от реологических свойств данной жидкости.
Задачей предлагаемого изобретения является определение скорости движения тела у поверхности жидкости после прохождения им определенного пути, равного глубине погружения.
Поставленная задача решается за счет того, что тело, текущую скорость которого у поверхности жидкости надо измерить, сначала погружают в жидкость на фиксированную глубину, а затем разгоняют тело в жидкости, после чего тело тормозится в воздухе силой трения в блоке до полной остановки, и измеряют путь торможения, по величине которого судят о скорости тела у поверхности жидкости после прохождения им определенного пути, равного глубине погружения.
На фиг.1 приведен общий вид установки по предлагаемому способу, где: 1 - тело в виде шара, текущую скорость которого надо измерить, 2 - блок, 3 - нить, 4 - противовес, 5 - жидкость. Тело 1 и противовес 4 выполняют одинаковой массы и соединяют через блок 2 нитью 3.
Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.
Тело 1 помещают в заданную жидкость 5 на глубину h, после чего к нему прикладывают силу Архимеда и разгоняют его в жидкости. Затем тело 1 вылетает из жидкости в воздух и тормозится в воздухе силой трения в блоке 2 до полной остановки. При этом кинетическая энергия тела 1 будет расходоваться на силу трения в блоке 2. Чем больше скорость тела 1 у поверхности жидкости, тем большим будет его путь торможения S. Значит, измеряя величину S, можно определить текущую скорость тела следующим образом.
Используя закон сохранения энергии, запишем равенство кинетической энергии разгоняемого вместе с противовесом тела 1 у поверхности жидкости - с работой силы трения в блоке 2:
где Eк - кинетическая энергия разгоняемого вместе с противовесом 4 тела 1,
Аmp - работа силы трения в блоке 2.
После преобразований (1) с учетом:
получаем зависимость текущей скорости тела от пути торможения S:
где V - текущая скорость тела 1 у поверхности жидкости после прохождения им определенного пути, равного глубине погружения h,
Fmp - сила трения в блоке 2,
m - масса тела 1,
2m - общая масса тела 1 и противовеса 4.
Достигаемый в результате применения данного способа положительный эффект заключается в следующем:
1. Возможности точного замера текущей скорости движения тела у поверхности как прозрачной, так и непрозрачной жидкости.
2. Возможности определения текущей скорости тела после прохождения им определенного пути в данной жидкости.
3. Возможности определить текущую скорость тела для данной глубины, погружая его в различные по своим реологическим свойствам жидкости.
Источники информации
1. Демонстрационный эксперимент по физике. Том 1 (по ред. А.А.Покровского) - М.: Просвещение, 1971, С.28, рис.19 (аналог).
2. Авторское свид. СССР №1030730, МПК G 01 P 5/18, 1983 (прототип).
3. Зельдович Я.Б. Высшая математика для начинающих. М.: Наука, 1965, С.387, рис.147.
Способ определения скорости движения тела у поверхности жидкости после прохождения им определенного пути, равного глубине погружения, включающий разгон тела в жидкости, отличающийся тем, что тело, соединенное через блок нитью с противовесом одинаковой с телом массы, сначала погружают в жидкость на фиксированную глубину, а затем разгоняют тело в жидкости, после чего тело тормозится в воздухе силой трения в блоке до полной остановки и измеряют путь торможения S, по величине которого судят о скорости тела V у поверхности жидкости после прохождения им определенного пути, равного глубине погружения:
где Fmp - сила трения в блоке, m - масса тела.
