Прибор для демонстрации свойств упругих волн



Прибор для демонстрации свойств упругих волн

 


Владельцы патента RU 2421821:

Ерохин Николай Фёдорович (RU)
Максимов Виталий Николаевич (RU)

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.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к исследовательским моделям в области измерения дозовых нагрузок на критические органы человека в условиях космических полетов и касается полиуретановой модели тканеэквивалентного органа.

Изобретение относится к способам исследований объектов космического базирования, в частности к способам имитации невесомости. .

Изобретение относится к области имитационного моделирования и может быть использовано для совершенствования способа и конструкции устройства для демонстрации. .

Изобретение относится к учебным приборам. .

Изобретение относится к учебным демонстрационным приборам и может быть использовано как для наглядного показа работы гироскопического интегратора, так и в учебных целях при изучении гироскопических приборов.

Изобретение относится к наглядным пособиям для изучения внутренней динамики планет. .

Изобретение относится к учебным пособиям и предназначено для проведения лабораторных работ по физике, механике, динамике. .

Изобретение относится к учебной демонстрационной технике и может быть использовано в учебном процессе в школах, техникумах и вузах для учебной демонстрации физико-химических явлений, точнее взаимосвязи между внутренним атомно-молекулярным строением вещества и его макроскопическими свойствами.

Изобретение относится к приборам и моделям, используемым в учебных заведениях при изучении хаотического движения макротел. .

Изобретение относится к учебным пособиям по физике и может быть использовано в учебном процессе для наглядной демонстрации опытов по изучению колебательных движений.

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано в качестве экспериментального оборудования в научных лабораториях агропромышленного комплекса

Изобретение относится к учебному пособию, которое может быть использовано для демонстрации законов механики преимущественно при выполнении экспериментальных заданий, включенных в контрольные измерительные материалы, используемые при Государственной итоговой аттестации по физике выпускников основной школы, а также для подготовки к аттестации

Изобретение относится к наглядным пособиям и может быть использовано для демонстрации гироскопических явлений

Изобретение относится к демонстрационным приборам по физике

Изобретение относится к демонстрационным приборам по физике

Изобретение относится к конструкции прибора для изучения законов механики

Изобретение относится к наглядным пособиям для демонстрации гироскопических свойств и, в частности, на занятиях по физике, теоретической механике. Демонстрационный волчок содержит колоколообразное тело 1, заостренный стержень 2, выполненный с возможностью упора в подпятник 7. Шарикоподшипник 4 наружным кольцом жестко установлен в колоколообразное тело 1, а внутренним в резьбовую втулку 3, обеспечивая перемещение заостренного стержня 2 вдоль оси симметрии колоколообразного тела 1 в резьбовой втулке 3 и фиксации в ней. Техническим результатом изобретения является повышение удобства раскручивания колоколообразного тела до больших оборотов, расширение времени демонстрации. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к демонстрационным устройствам для проведения практикумов по физике и математике в высших и средних учебных заведениях. Каждый корпус из линейки корпусов имеет форму параллелепипеда с верхними крышками. Корпуса разделены на несколько секций подвижными перегородками, размещенными с возможностью движения в вертикальных пазах, выполненных в боковых стенках корпусов. Крайние перегородки образуют подвижные торцевые стенки корпусов. В подвижных перегородках вертикально выполнены пазы меньшего размера для гибких нерастяжимых лент. Все стенки корпусов выполнены прозрачными. В стенках всех соседствующих секций выполнены согласовано вентильные отверстия, допускающие переток жидкости в ортогональных направлениях. Два идентичных устройства расположены друг над другом, их секции выполнены квадратными. Ленты верхнего и нижнего устройств расположены ортогонально. Между лентами вертикально установлены штанги одинакового размера, проходящие через отверстия в верхней крышке нижнего устройства и в нижней крышке верхнего устройства. В отверстиях секций верхней крышки верхнего устройства установлены вертикально вторые штанги. Первые и вторые штанги образуют общие составные вертикальные штанги. Техническим результатом изобретения является моделирование минимальных поверхностей. 1 ил.

Электронный имитатор механического стрелочного манометра предназначен для использования в обучающих тренажерах, где необходимо визуально имитировать механические стрелочные манометры, управляемые внешним подаваемым напряжением UBX. Предлагаемое устройство содержит компаратор 1, блок формирования компенсирующего напряжения, включающий мотор-редуктор 2 и переменный резистор 3, механически жестко сопряженные между собой и со стрелкой индикатора 4. Все блоки размещены внутри корпуса механического стрелочного манометра, шкала и стрелка которого используются в качестве индикатора. 1 ил.

Изобретение относится к учебным приборам и может быть использовано в лабораторном практикуме по курсу физики. На противоположных сторонах подвижной муфты первыми концами шарнирно соединены две тяги. Концы двух подвижных стержней с грузами шарнирно соединены с концами горизонтального стержня. Середины подвижных стержней с грузами шарнирно соединены со вторыми концами тяг. Отрицательная клемма источника постоянного тока через тумблер соединена с отрицательной клеммой электродвигателя. Общий контакт первой платы переключателя соединен с положительной клеммой электродвигателя. Подвижные контакты первой платы соединены с первыми выводами соответствующих резисторов первой группы N резисторов. Общий контакт второй платы соединен с положительной клеммой источника постоянного тока. Подвижные контакты второй платы соединены с первыми выводами соответствующих резисторов второй группы N резисторов. На одном из концов горизонтального стержня установлена контактная пара. На первом конце подвижного стержня с грузом напротив контактной пары установлен размыкающий стержень. На валу установки неподвижно закреплены два токоприемника. Подвижные контактные кольца токоприемников соединены с контактной парой. Шарообразная рукоятка подвижно соединена с трубкой, неподвижно закрепленной на подвижной муфте. Технический результат изобретения заключается в расширении области исследований. 4 ил.
Наверх