Прибор для демонстрации свойств упругих волн

Изобретение относится к демонстрационным приборам по физике. На основании установлены стойки, к которым прикреплен горизонтально ориентированный стержень. Втулки расположены на стержне с возможностью свободно перемещаться по нему. К втулкам с помощью нитей равной длины подвешена спиральная пружина. Шарнирный многозвенный параллелограмм прикреплен к втулкам средними шарнирами. Техническим результатом изобретения является обеспечение возможности равномерного изменения межвиткового шага по всей длине пружины при изменении ее длины. 1 ил.

 

Изобретение относится к демонстрационным приборам, раскрывающим физические свойства упругих волн, и может использоваться в учебном процессе, например, при чтении лекций или в лабораторном практикуме.

Известно устройство для формирования бегущей волны [1], включающее основание с установленными на нем стойками, к которым прикреплен стержень, ориентированный горизонтально, на который с помощью нитей равной длины подвешены шарообразные грузики, расположенные между упругими витками пружины, к части грузиков прикреплены демпфирующие элементы, находящиеся в жидкости.

При механическом возбуждении торца пружины в ней возбуждается продольная бегущая волна, которая наглядно демонстрирует физические процессы, возникающие при распространении упругих продольных волн в твердых средах.

Недостатком данного устройства являются сложность конструкции, а также ограниченные демонстрационные возможности, заключающиеся в невозможности возбуждения в конструкции «грузики-пружины» поперечных волн, жесткое крепление нитей к стержню не позволяет изменять межвитковый шаг пружин и, в конечном счете, фазовую скорость продольных волн.

Признаки, совпадающие с заявленным объектом: основание, стойки, стержень, нити равной длины.

Известен также прибор для демонстрации продольных волн, содержащий основание с установленными на нем стойками, к которым прикреплены два стержня, ориентированные горизонтально и параллельно друг другу; к стержням с помощью нитей равной длины подвешена спиральная пружина [2, 3].

При механическом возбуждении торца пружины по ней распространяется продольная волна, которая наглядно демонстрирует физические процессы, возникающие при распространении упругих продольных волн в твердых средах.

Недостатками данного устройства являются ограниченные демонстрационные возможности, заключающиеся в невозможности возбуждения в пружине поперечных волн по причине бифилярной подвески витков пружины нитями в плоскости, перпендикулярной к оси пружины, создающих только одну степень свободы при перемещении витков пружины, и жесткое крепление нитей к стержням, не позволяющее изменять межвитковый шаг пружины и, в конечном счете, фазовую скорость продольных волн.

Признаки, совпадающие с заявленным объектом: основание, стойки, стержень, нити равной длины, спиральная пружина.

Прототипом заявляемого устройства является устройство для демонстрации волн в пружине [4], имеющее наибольшее количество совпадающих признаков и содержащее основание с установленными на нем стойками, к которым прикреплен стержень, ориентированный горизонтально; на стержне расположены втулки, свободно перемещающиеся по стержню, а к втулкам с помощью нитей равной длины подвешена спиральная пружина.

При механическом возбуждении торца пружины по ней может распространяется продольная или поперечная волна, которые наглядно демонстрируют физические процессы, возникающие при распространении упругих продольных и поперечных волн в твердых средах.

Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются ограниченные демонстрационные возможности, обусловленные тем, что в процессе работы известного устройства возникает произвольное и нерегулируемое расположение втулок вдоль стержня, не позволяющее демонстрировать, например, зависимость фазовой скорости волны от линейной плотности витков пружины, а также возникает неустойчивая картина волнового движения, особенно при демонстрации продольных стоячих волн.

Признаки, совпадающие с заявленным объектом: основание, стойки, стержень, втулки, нити равной длины, спиральная пружина.

Задачей изобретения является расширение демонстрационных и дидактических возможностей при демонстрации свойств упругих волн.

Технический результат достигается тем, что в прибор, содержащий основание с установленными на нем стойками, к которым прикреплен стержень, ориентированный горизонтально; на стержне расположены втулки, свободно перемещающиеся по стержню, а к втулкам с помощью нитей равной длины подвешена спиральная пружина, дополнительно введен шарнирный многозвенный параллелограмм, прикрепленный средними шарнирами к втулкам. Это позволяет осуществлять равномерное изменение межвиткового шага по всей длине спиральной пружины при изменении ее длины, а также поддерживать постоянные расстояния между втулками при деформации пружины.

Полезная модель поясняется чертежом, на котором показано устройство прибора для демонстрации упругих волн. Он состоит из основания 1 с установленными на нем стойками 2, к которым прикреплен стержень 3, ориентированный горизонтально; на стержне расположены втулки 4, свободно перемещающиеся по стержню 3, к втулкам 4 с помощью нитей равной длины 7 подвешена спиральная пружина 8, также к втулкам 4 средними шарнирами 5 прикреплен шарнирный многозвенный параллелограмм 6. Такая конструкция дает две степени свободы виткам пружины и позволяет с помощью дополнительно введенного шарнирного многозвенного параллелограмма плавно и быстро устанавливать заданный межвитковый шаг пружины и поддерживать его постоянным в процессе демонстраций.

Это позволяет наглядно показывать зависимость скорости распространения продольных и поперечных волн от линейной плотности пружины.

Прибор работает следующим образом. В исходном состоянии пружина находится в равновесии с минимально заданным межвитковым шагом, который задается раствором шарнирного многозвенного параллелограмма. Для возбуждения поперечной волны с помощью вибратора или руки создают колебания крайних витков пружины в плоскости, перпендикулярной оси пружины. Вследствие наличия упругих сил и инерции (см. М.М.Архангельский. Курс физики. Механика. М.: Просвещение, 1965, с.358) поперечные колебания распространяются вдоль пружины. При этом если возбуждающее смещение прекратить, возвратившись в исходное состояние, то получаем импульс сдвига, распространяющийся вдоль пружины, а при совершении двух, трех периодов возбуждающих колебаний возникает волновой цуг, который уже имеет характер волнового движения, соответствующий виду гармонической функции, который распространяется вдоль пружины с некоторой скоростью. Создавая непрерывно колебания (в течение времени, необходимого для распространения волны до конца пружины, т.е. до момента образования отраженной волны), наблюдаем непрерывное заполнение поля пружины бегущей волной с определенной постоянной скоростью, равной скорости распространения и импульса, и волнового цуга, а затем образование стоячей волны.

При механическом воздействии на пружину вдоль ее оси получаем в пружине продольную волну, распространяющуюся с постоянной скоростью.

Опыты с упругими бегущими волнами, продольными и поперечными волнами убедительно и наглядно показывают, что величина скорости, например, продольной волны, продольного цуга и продольного импульса имеют одно и то же значение. Далее на опыте наглядно демонстрируется, что скорость волны не зависит от амплитуды и частоты. Однако, изменяя частоту колебаний, наблюдаем обратно пропорциональную связь между частотой и длиной волны, которая требуется для проверки дисперсионного соотношения (см. Крауфорд Ф. Волны. М.: Наука, 1984, с.83).

Для демонстрации того, что скорость волны зависит от упругих свойств пружины, требуется корректное проведение опытов, так как изменения не столь велики, и эта зависимость не простая. Для этого концентрируем внимание на демонстрации зависимости скорости волны от жесткости пружины. В области упругих деформаций выполняется закон Гука, и коэффициент жесткости заданной пружины будет оставаться постоянным при создании волнового движения. Предварительные опыты показали, что для пластической деформации пружины необходимо увеличить ее длину более чем в 40 раз. Поэтому изменение межвиткового шага в пределах габаритов прибора гарантирует постоянство коэффициента жесткости пружины. Однако согласно теории упругих волн (см. Крауфорд Ф. Волны. М.: Наука, 1984, с.85) фазовая скорость волны v зависит не только от коэффициента жесткости К витка пружины, но и от линейной плотности пружины ρ, зависящей от массы m и межвиткового шага пружины а, по формуле

Таким образом, скорость волны для одной и той же пружины зависит только от межвиткового шага и массы витка. Опыты на приборе показали, что такая зависимость справедлива. Демонстрацию этой причинно-следственной связи осуществляют увеличением раствора шарнирного многозвенного параллелограмма, приводящего к изменению расстояний между втулками и соответственно к изменению межвиткового шага по всей длине пружины. Скорость волны определяют по времени ее распространения по длине пружины или путем измерения длины стоячей волны при известной частоте колебаний.

Таким образом, дополнительное введение шарнирного многозвенного параллелограмма позволяет создавать равное межвитковое изменение шага пружины и тем самым расширить дидактические возможности прибора путем демонстрации зависимости скорости волны от линейной плотности витков пружины.

Практическая реализация данного прибора не представляет сложностей. Данный прибор изготовлен и успешно эксплуатируется при чтении соответствующих разделов учебного курса физики.

Информационные источники

1. Патент JP 59226377 «Progressive wave generator», МПК G09B 23/06, опубл.29.08.1988.

2. Лекционные демонстрации по физике, под ред. В.И.Ивероновой. М.: Наука, 1972, с.206-207.

3. Leon M. Reynolds. «Folding slinky wave demonstrator». The physics teacher, v.16, №9, 1978, p.652-654. USA

4. John F Spivey. «Versatile mount for slinky wave demonstrator». The physics teacher, v.20, №1, 1982, p.52. USA.

5. Патент GB 1445290 «Apparatus for demonstrating wave motion», МПК G09B 23/06, опубл. 11.08.1976.

6. Патент JP 59204080 «Wave motion experiment apparatus», МПК G09B 23/06, опубл. 19.11.1984.

7. Патент JP 1046972, «Longitudinal wave demonstration apparatus», МПК G09B 23/06, опубл. 7.03.1986.

8. Патент SU 875442 «Учебный прибор для демонстрации бегущей волны», МПК G09B 23/06, опубл. 23.10.1981.

9. Патент SU 918965 «Учебный прибор для демонстрации бегущей волны», МПК G09B 23/06, опубл. 7.04.1982.

10. Патент SU 1485290 «Учебный прибор по физике для демонстрации волновых процессов», МПК G09B 23/06, опубл. 30.09.1887.

11. Патент SU 1529273 «Учебный прибор по физике», МПК G09B 23/06, опубл. 15.12.1989.

12. Патент US 3518780 «Longitudinal wave propagation demonstrators», МПК G09B 23/06, опубл. 7.07.1970.

13. Патент US 5975911 «Mechanical oscilloscope», МПК G09B 23/06, опубл. 2.11.1999.

Прибор для демонстрации свойств упругих волн, содержащий основание с установленными на нем стойками, к которым прикреплен горизонтально ориентированный стержень, втулки, расположенные на стержне с возможностью свободного перемещения по нему, и спиральную пружину, подвешенную к втулкам с помощью нитей равной длины, отличающийся тем, что в него дополнительно введен шарнирный многозвенный параллелограмм, прикрепленный средними шарнирами к втулкам.