Учебная модель механической колебательной системы



Учебная модель механической колебательной системы
Учебная модель механической колебательной системы
Учебная модель механической колебательной системы

 


Владельцы патента RU 2560276:

Яковлев Александр Герасимович (RU)

Изобретение относится к учебным пособиям по физике. Стержень с грузом установлен с возможностью совершать колебательные движения в вертикальной плоскости. Вал соединен с помощью стержня с грузом, и на него насажены колеса, которые имеют возможность совершать колебательные движения в горизонтальной плоскости. На направляющих закреплены ограничители колебания колес. Изобретение обеспечивает возможность моделирования сложного колебательного движения системы. 3 ил.

 

1.1. Учебная модель механической колебательной системы (далее система) относится к физике, разделу механики.

1.2. Уровень техники

Аналогом по совокупности признаков, наиболее близких к совокупности существенных признаков изобретения, является учебное пособие - физприбор, включающий установленные на направляющих колеса, насаженные на вал, и стержень с грузом (В. Иверонова. Лекционные демонстрации по физике. М.: Наука, 1965 г, стр. 56…57, рис. 1.25).

1.3. Раскрытие изобретения

Задачей изобретения было создание устройства, совершающего одновременно два колебательных движения, т.е. моделирование некоего механического аналога электромагнитного колебательного контура.

Заявленная учебная модель механической колебательной системы содержит направляющие, стержень с грузом, установленный с возможностью совершать колебательные движения в вертикальной плоскости, и вал, на который насажены колеса, которые имеют возможность совершать колебательные движения в горизонтальной плоскости, при этом вал соединен с помощью стержня с грузом, а на направляющих закреплены ограничители колебания колес.

Знаменитый физик А. Иоффе писал, что нельзя отрицать пользы моделей при изучении физических явлений. Удачно построенная модель упрощает выводы из известных фактов и позволяет ставить новые опыты, ведущие науки вперед. Часто на протяжении длительного времени модель служит путеводной нитью научного исследования (А. Иоффе. Основные представления современной физики. М., 1949, стр. 348…349).

Механической конструкцией, совершающей одновременно два колебательных движения, мог бы быть математический маятник, колеблющийся в вертикальной плоскости, и связанное с ним тело, которое может совершать свободное движение и колебание по горизонтальной плоскости. Так зародилась идея конструкции представленного изобретения.

Для раскрытия этой идеи в реальной действительности маятник выполнен в виде груза цилиндрической формы со стержнем, а взаимодействующее с ним тело - в виде колес, установленных на направляющих (см. фиг. 3, фотоснимок).

На фиг.1 представлена схема заявленной учебной модели механической колебательной системы.

На фиг. 2 - график колебания энергии механической колебательной системы.

На фиг. 3 - фото учебной модели механической колебательной системы.

1 - вал, 2 - колеса, 3 - стержень, 4 - груз, 5 - ограничители, 6 - направляющие, 7 - упоры.

Колеса и груз являются основными составными частями конструкции, а вал и стержень - связующими элементами, обеспечивающими грузу свободное колебание, колесам колебательное движение под действием силы колебаний груза. Это достигается подвижным соединением стержня с валом и неподвижным соединением вала с колесами.

Вал изготовлен из тонкостенной трубки, стержень - из проволоки. Направляющие изготовлены из уголка 20*20 мм, ограничители и упоры - из ленточной стали 20*2 мм. Все элементы конструкции выполнены из стали. Для большего эффекта динамики массы тела колес и груза должны быть примерно равными.

1.4. Осуществление изобретения

Основные свойства изобретения, совокупность признаков, определяющих объем испрашиваемой правовой охраны в соответствии с поставленной задачей и названием изобретения, проявляются в его работе, динамике.

Осуществление процесса динамики происходит в результате сообщения системе потенциальной энергии груза на высоте Н от уровня нижнего его положения в статическом состоянии системы. При этом система начинает совершать колебательные движения: груз в вертикальной, колеса - в горизонтальной плоскостях, проходящих через центр масс С.

В колеблющейся системе происходит процесс взаимопревращения потенциальной и кинетической энергий колес и груза. Энергии постоянно меняются по закону гармонических (синусоидальных) колебаний. Причем колебания колес и груза совершаются в противоположных фазах (фазах, сдвинутых друг относительно друга на 180°) и в сущности представляют собой стоячую волну (см. фиг. 2, область а).

Система, как всякое другое физическое тело, может взаимодействовать с другими телами, в частности с ограничителями 5, закрепленными на направляющих.

Ограничение колебаний колес в одном направлении приводит к тому, что система отталкивается от ограничителей и начинает поступательное корпускулярно-волновое движение в противоположном направлении. Это происходит потому, что изменяется первоначальный сдвиг фаз между колебаниями еще на 180°, колебания начинают совершаться в одной фазе. Происходит сложение колебаний, т.е. вся энергия системы переходит к одному из составляющих - к грузу. Затем это суммарное колебание вызывается другой составляющей - в колесах колебание такой же частоты и амплитуды (см. фиг. 2, область б). Таким образом, система из состояния стоячей волны переходит в состояние корпускулярно-волнового движения - в состояние «бегущей» волны.

1.5. Краткое описание колебания энергии механической колебательной системы

На фиг. 2 в системе координат EOt представлено изменение энергии колес Em и груза Em2 в зависимости от времени t.

Как было отмечено, колебания совершаются в противоположных фазах, следовательно, переноса энергии нет, центр масс системы находится в состоянии покоя (см. обл. а). Энергия колеблющейся системы в целом равна величине Е, период колебания - Т.

При взаимодействии системы с отражателями 5 (см. фиг. 1) происходит изменение первоначального сдвига фаз. Колебания начинают совершаться в одинаковой фазе, т.е. складываются. Энергия суммарного колебания равна величине Е (см. фиг. 2, обл. б). Затем это суммарное колебание, принадлежащее грузу, рождает в другой составляющей системы - колесах энергию такой же величины Е. Тогда общая энергия системы Е0 становится равной Е0=2Е.

Учебная модель механической колебательной системы, содержащая направляющие, стержень с грузом, установленный с возможностью совершать колебательные движения в вертикальной плоскости, и вал, на который насажены колеса, которые имеют возможность совершать колебательные движения в горизонтальной плоскости, отличающаяся тем, что вал соединен с помощью стержня с грузом, а на направляющих закреплены ограничители колебания колес.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к обучающим приспособлениям для демонстрации электромагнитных явлений. На одном конце плоского стержня закреплена катушка-моток, а на другом выполнено подвесное отверстие для подвеса стержня и магнит.

Изобретение относится к области измерительной и учебной техники и может быть использовано для изучения явлений электромагнетизма. По периметру диэлектрического диска впрессованы металлические шарики, диаметр которых равен толщине диска.

Изобретение относится к учебным приборам и может быть использовано в лабораторном практикуме по курсу физики для получения и углубления знаний физических законов и явлений.

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.

Изобретение относится к учебным приборам и может быть использовано в лабораторном практикуме по курсу физики для получения и углубления знаний физических законов и явлений.

Изобретение относится к области образования и наглядных учебных пособий, в частности к наглядным пособиям для демонстрации принципа работы одиночного стержневого молниеотвода.

Изобретение относится к учебным приборам по физике. Малые листы электропроводящей бумаги создают сопротивления R/2, R, 2R и уложены на планшете.

Изобретение относится к учебным приборам и может быть использовано в лабораторном практикуме по физике. На противоположных сторонах прямоугольного листа электропроводящей бумаги (ЭПБ) установлены два электрода прямоугольной формы.

Изобретение относится к области исследования электростатических полей в различных средах и условиях, преимущественно в области жидких углеводородных горючих в условиях их естественной конвекции.

Изобретение относится к учебным приборам и может быть использовано в лабораторном практикуме по курсу физики для получения и углубления знаний физических законов и явлений.

Изобретение относится к электродинамике и и может быть использовано для экспериментальной проверки эффекта возбуждения вихревого электрического поля при движении магнитного поля, создаваемого движением постоянного магнита. Технический результат состоит в обеспечении возможности проверки возбуждения униполярной индукции. Мостовая схема для проверки возбуждения униполярной индукции содержит соленоид, внутри которого движется намагниченный ферромагнетик, образующий вихревое электрическое поле вдоль траектории его движения. Схема содержит ферромагнитный тороид, четыре одинаковых катушки из проводника, включенные последовательно между собой и образующие мостовую схему, к одной диагонали которой подключен регулируемый источник постоянного тока, а другая диагональ мостовой схемы подключена к усилителю постоянного тока. Ферромагнитный тороид приводится во вращательное движение синхронным двигателем через прижимной ролик. Электропитание синхронного двигателя подается от многофазного генератора переменного тока с регулируемой частотой колебаний. Управление регулируемым источником постоянного тока и многофазным генератором по частоте переменного тока, а также измерение величин тока и частоты колебаний осуществляется с помощью компьютера. 3 ил.

Изобретение относится к стендам для лабораторных работ, применяемым при обучении студентов, изучающих дисциплину «Электротехнология». Автоматизированный тепловой пункт (устройство преобразования электрической энергии в тепловую), содержит параллельно соединенные между собой тэновый, электродный и вихревой подогреватели воды, отопительный прибор, бойлер со змеевиком, насос, термодатчики, щит управления, расходомер, систему трубопроводов, при этом в него введены электромагнитные клапаны, программируемый контроллер для управления и регулирования режимами нагрева, бойлер выполнен сообщающимся с атмосферой для осуществления процесса тепломассообмена, сборка всех элементов выполнена с использованием резьбовых соединений предусматривающее возможность введения в процесс новых элементов. Это позволяет уменьшить габариты устройства, а также упростить его обслуживание. 5 ил.

Изобретение относится к области образования и наглядных учебных пособий, в частности, к наглядным пособиям для демонстрации принципа работы одиночного тросового молниеотвода. Для повышения качества обучения за счет улучшения наглядности принципа работы и определения высоты одиночного тросового молниеотвода модель молниеотвода включает две вертикальные телескопические оси одинаковой высоты, вершины которых связаны горизонтальной нитью, а модель зоны защиты содержит две плоские грани и два полуконуса, вертикальные оси которых совпадают с осями телескопических стержней и находятся на расстоянии S друг от друга, а плоскости граней являются общими касательными к полуконусам и пересекаются по горизонтальной прямой, проходящей через вершины конусов. 1 ил.

Изобретение относится к физике магнитного поля, создаваемого магнитными системами, полюсы которых взаимно перемещаются. Технический результат состоит в исследовании распределения угловых скоростей вращающегося магнитного поля в различных сечениях магнитного зазора при взаимном перемещении магнитных полюсов относительно друг друга. Устройство для исследования вращательного движения магнитного поля при взаимном перемещении магнитных полюсов, в частности при их взаимном вращении с разной угловой скоростью и в различных направлениях без изменения расстояния между этими полюсами, состоит из пары тороидов, намагниченных на их плоских гранях и ориентированных друг к другу соосно с противоположными магнитными полюсами, которые механически связаны с двумя синхронными реверсируемыми двигателями с подключенными к ним двумя перестраиваемыми по частоте генераторами переменного тока. Одна или несколько прямоугольных рамок из тонкого проводника помещены в магнитный зазор между магнитными полюсами одной из сторон прямоугольной рамки так, что проводники этой стороны ортогональны вектору магнитной индукции в магнитном зазоре, а также ортогональны вектору угловой скорости взаимно вращающихся намагниченных тороидов. Выводы рамок включены последовательно к регистрирующему возникающую э.д.с. в этих частях проводников рамок измерительному прибору, например вольтметру постоянного тока. 4 ил.

Изобретение относится к электротехнике. Технический результат состоит в возможности выявления физической структуры и поведения магнитного поля между магнитными полюсами, один из которых вращается относительно другого. Устройство содержит ротор и статор, выполненные в виде отрезков концентрически расположенных цилиндров из ферромагнетика. Обмотка подмагничивания ротора подключена к регулируемому источнику постоянного тока, закреплена на статоре бесконтактно к расположенной в ней части магнитопровода ротора. В тороидальном магнитном зазоре размещена часть рабочей обмотки в виде рамки из проводника, механически связанной с управляемым приводом ее перемещения внутри магнитного зазора с измерением величины перемещения. Выводы рамки подключены к входу усилителя постоянного тока. Замыкание магнитной цепи «ротор-статор» осуществлено с помощью цилиндрического элемента ротора на его противоположном конце относительно обмотки подмагничивания ротора, близко расположенного к трубчатому магнитопроводу статора, являющемуся корпусом устройства, в котором через подшипниковую пару закреплена ось вращения ротора, механически связанная с синхронным двигателем. На его электрические входы подано переменное напряжение от перестраиваемого по частоте генератора переменного тока. Информационные выходы измерителя перемещения рамки, регулируемого источника постоянного тока и перестраиваемого по частоте генератора переменного тока, а также выход усилителя постоянного тока подключены к входам устройства обработки и отображения информации. 3 ил.
Наверх