Учебный прибор по физике

(50 4 С 09 8 ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ а 1 под воздейебательных сисулиров ой костоит из двио через понижаимеющую шесно-кулисный меСССР.5.07. тую пере о учебнымт повыи точс пругий она 3,ого двиой ащ е сисством п е и н ОСУДАРСТ 8 ЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(54) УЧЕБНЫЙ ПРИБОР ПО ФИЗИКЕ(57) Изобретение относится кприборам по физике и позволяесить наглядность демонстрацииности регистрации колебательнжения маятниковой колебательнтемы. Маятниковые колебательньтемы установлены в корпусе 1шенном на упругодемпфирующемсвязанном со средством для р ции перемещении корпусствием маятниковых колтем, Средство для задачи и регки частоты колебаний маятниковлебательной системы согателя 14, соединенногющую зубчатую передачутерни 15, 16, кривошипханизм 17 и п вышающую зубчадачу, имеющую шестерни 18, 19, с овращения 4 полого диска 13, уэлемент выполнен в виде торсиодним концом посредством коническпередачи 20 связанного с осью врния 4, а другим концом посреднатяжного устройства с корпусом 113005Изобретение относится к учебным приборам по физике и может быть использовано для демонстрации закона движения центра масс материальной системытел. 5Цель изобретения - повышение наглядности демонстрации и точности регистрации колебательного движения.На фиг.1 схематически представленучебный прибор; на фиг.2 - схема действующих сил и моментов учебного прибора.Учебный прибор по физике содержиткорпус 1, кронштейн 2, торсион 3,две маятниковые колебательные системы, каждая из которых имеет ось вращения 4, маятниковую и сменную балансировочную инерционные массы 5 и 6 иснабжена средством для задачи и регулировки частоты ее колебаний, исредство для регистрации перемещенийкорпуса 1 при воздействии маятниковых колебательных систем,Учебный прибор имеет также упругодемпфирующий подвес 7, связанный скорпусом 1 и кронштейном 2, средстводля регистрации перемещений корпусасостоит из связанной с кронштейном 2силоизмерительной пружины 8, соединенного с ней и корпусом 1 коромыслоЗОвого стержня 9 с стрелочным указателем 10 на одном конце и уравновешивающим грузом 11 на другом конце ишкалы регистрации перемещений 12.При этом каждая маятниковая колебательная система имеет полый диск13 с размещенной в нем с возможностьюсвободного вращения сменной балансировочной массой 6 и жестко закрепленной маятниковой инерционной массой 5.40Средство для задачи и регулировкичастоты колебаний каждой маятниковойколебательной системы состоит из двигателя 14, соединенного через понижающую зубчатую передачу, имеющую45шестерни 15 и 16, кривошипно-кулисныймеханизм 17 и повьппающую зубчатую передачу, имеющую шестерни 18 и 19 сосью вращения 4 маятниковой колеба 50тельной системы.Торсион 3 одним концом посредством конической передачи 20 связан сосью вращения 4 каждой маятниковойколебательной системы, а вторым концом посредством натяжного устройства,состоящего иэ плунжера 21 с центральным отверстием, в котором расположенс возможностью поступательного пере 38 2мещения 22 с цилиндрической пружиной 23, и регулированных винтов 24 соединен с корпусом 1,Учебный прибор работает следующим образом.При работе двигателей 14 их вращающие моменты через шестерни 15 и 16, представляющие понижающий редуктор, приводят во вращение кривошипно-кулисный механизм 17, кулиса которого совершает при этом встречные угловые. колебательные движения (качания). Эти угловые колебания движения через повышающий редуктор 18 и 19 передаются осям вращения и каждой маятниковой колебательной системы, полые диски 13 которых вместе с маятниковыми 5 и балансировочными 6 инерционными массами совершают при этом встречные угловые (крутильные) движения с большой угловой амплитудой (У: Т/2), про - изводя закручивание торсиона 3 с частотой вынужденных угловых движений (вращений) полых дисков 13. В зависимости от соотношения частоты изменения приведенного к осям вращения 4 полых дисков 13 вращающегося момента к частоте свободных колебаний упругой системы: полые диски 13 - торсион 3, могут устанавливаться режимы вынужденных вращательных движений полых дисков 13 - дорезонансный, резонансный и послерезонансный. Каждому иэ этих режимов работы соответствует определенное силовое воздействие со стороны вращаемых полых дисков 13 вместе с маятниковыми 5 и балансировочными 6 инерционными массами на корпусе 1, который вместе с двигателями 14, зубчатыми передачами и кривошипно-кулисными механизмами представляет собой материальную систему тел учебного прибора. Под действием указанных силовых воздействий (силовых импульсов), положительная составляющая которых определяется амплитудой силы Р = К/у,ы/ , где К - коэффициент, определяемый величиной и геометрией инерционных масс; ( /Я - амплитуда и угловая частота колебаний полого диска, корпус через упруго- - демпфирующий подвес 7 отклоняет стрелочный указатель 1 О коромыслового стержня 9 от нулевого заданного положения, что Фиксируется по шкале 12. Упругодемпфирующий подвес 7 позволяет при этом ослаблять или полностью устранять не представляющие интереса вы) сокочастотные составляющие силовых импульсов, которые приводят к дрожанию стрелочного указателя 10 и мешают наблюдениям при демонстрациях, которые могут проводиться при действии различных Ссовместно действующих и разделенных) сил инерции маятниковых 5 и балансировочных 6 инерционных масс.Режимы работы устройства при де монстрации устанавливаются заданием соответствующей скорости вращения двигателя 14. При этом задаваемые значения скорости вращения этих двигателей определяются из теоретически 15 предсказываемого режима вертикальных колебаний только корпуса 1 на упругодемпфирующем подвесе 7, так как за период колебаний корпуса 1 коромысловый стержень 9 можно в первом приб лежении считать неподвижным. Колебания корпуса 1 и маятниковых колебательных систем определяются системой действующих сил и моментов схемы на фиг.2, где М - масса корпусас двигателями 14, кулисными механизмами, понижающими и повышающими редуктторами;в, 1 - масса и момент инерции маятниковых инерционных масс 5; 30ш - масса балансировочных инерционных масс 6; 4Р - расстояние осей симметрии маятниковых 5 и балансировочных 6 инерционных масс от осей вращения 4 полых дисков 13;шт, 1 - масса и момент инерции полых дисков 13;Р,ТвК - приведенные к осям 4 вращающий момент двигателя 14, жесткость торсиона 3 и коэффициент демпфирования крутильных колебаний;с) - угол поворота полых дисков 13 от начального нулевого положения; с, Ь .жесткость и коэффициент демпфирования упругодемпфирующего подвеса 7;- ускорение силы тяжести,(1 г аЕ ар- время; Е= , Е = т 1 Ч) =с 1 Сс 1 Сс 1 При использовании двигателей достаточной мощности можно пренебречь изменением заданной скорости их вращения под действием переменных моментов инерции маятниковых колебательных систем. Полагая, что Р = Р зт.пай и учитывая связанность колебаний обеих маятниковых колебательных систем, колебательные движения корпуса 1 на упругодемпфирующем подвесе можно представить системой двух дифференциальных уравненийкоторое после подстановки значенийпреобразуется к виду сто в-шЕ с 1 Е- + -- -(К - +су) --- (Ь +сЕ) Узт.пс =Е (с) с 1 й Е (с) саГ-Вр в(пшс+(ш-шА)22 ввп(1+2(ш-ш 2) 2 фсовсв в(п( (2)2где А = 1 + 1+ (в+в)1 во время демонстрации, целесообразВ = (М+2(ша + в + вв 45 но предварительно находить с испольЕ(с) - АВ(ш-ш) 2 з 1 пср зованием ЗВИ. Приближенную оценку и выполняется условие ожидаемого решения системы дифференсЕо =(И+2(тпрр +ш+тп 8) циальных уравнений и соответствующего результирующего воздействия колеВследствие существенных дифферен баний корпуса 1 через упругодемпфируциальных уравнений динамической моде- ющий подвес 7 на коромысловый стерли точноее решение системы для харак- жень 9 можно получить из уравнения терных ежимовр имов работы, исследуемых движения центра масс системы телс 1 ЕцмЙЕ ЙЧВс 1 (тп-тп) (1зп( +Х созс), (3)с 12 Е ц.м ДЕдЕгдеи Е - функции времени, опре -Зделяемые из решения системы дифференциальных уравнений (1, 2) для различных Я 5Из последнего уравнения следует, что при шш характерными режимаЕми работы устройства являются те,при которых Ы и, следовательно, задаваемая скорость вращения двигателей 4 0 варьируется в области резонанса как для крутильных колебаний маятниковых колебательных систем, так и для вертитикальных колебаний корпуса 1 на упругодемпфирующем подвесе 7. При совпадении я с каждой из этих частот происходит резкое увеличение соответствующих колебаний, которое приводит, к уменьшению результирующего динамического воздействия корпуса 1 через 20 упругодемпфирующий подвес 7 на коромы словый стержень 9. Такое поведение учебного прибора объясняется фазовым сдвигом соответствующих вынужденных колебаний, При резонансе этот сдвиг равен .й /2, после резонанса при достаточном удалении от него фазовый сдвиг приближается к т 1, поэтому соответствующее результирующее динамическое воздействие на корпус приближается к величине, имевшей место в дореэонансной зоне колебаний, но с обратным знаком. Эти изменения результирующего динамического воздействия на коромысловый стержень 9 при водят к угловым поворотам последнего, которые регистрируются с помощью стрелочного уакзателя 10 и шкалы 12.40Учебный прибор обеспечивает, таким образомсущественное повышение наглядности колебательного движения исследуемой материальной системы тел подвешенной на упругодемпфирующем 45 подвесе 7, и может быть использован как для демонстрационных целей для больших групп обучающихся, так и длянаучно-исследовательских целей.Формула изобретенияУчебный прибор по физике, содержащий корпус, кронштейн, торсион, две маятниковые колебательные системы, каждая из которых имеет ось вращения, матниковую и сменную балансировочную инерционные массы и снабжена средством для задачи и регулировки частоты ее колебаний, и средство для регистрации перемещений корпуса под воздействием маятниковых колебательных систем, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения наглядности демонстрации и точности регистрации колебательного движения, он имеет упругодемпфирующий подвес, связанный с корпусом и кронштейном, а средство для регистрации перемещений корпуса состоит иэ связанной с кронштейном силоизмерительной пружины и соединенного с ней и с корпусом коромыслового стержня со стрелочным указателем на одном конце и уравновешивающим грузом на другом конце, при этом каждая маятниковая колебательная система имеет диск с размещенной в нем с возможностью свободного вращения сменной балансировочной массой и жестко закрепленной маятниковой инерционной массой, а средство для задачи и регулировки частоты колебаний каждой Маятниковой колебательной системы состоит из двигателя, соединенного через понижающую зубчатую передачу, кривошипно-кулисный механизм и повышающую зубчатую передачу с осью вращения маятниковой колебательной системы, причем торсион одним концом посредством конической передачи связан с осью вращения каждой маятниковой колебательной системы, а вторым концом посредством натяжного устройства соединен с корпусом,1300538 Составитель Т.Григодактор Н,Горват Техред А.Кравчук ректор Н.Король каз 115 о к нии Раушская наб., д Производственно-полиграфическое предприятие,г.ужгород,ул.Проектная,4 1 Тираж 434 ВНИИПИ Государственпо делам изобрет 113035, Москва, Ж-З Подписноитета СССРткрытий