Устройство для демонстрации и исследования колебательного движения

Со 1 оз СоветскииСоциалкстмчески иРеспубики О П И С А Н И Е (ц 903948ИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(23) ПриоритетОпубликовано 07. 02, 82 Гооударствеииый комитет СССР по делам изобретеиий и открытийБюллетень М 53) УДК 371.6 /. 67(088. 8) ата опубликования описания 07.02 С,С.Арутюно 2) Автор изобретения юро Мийистерстваго обр зования СССРа.,ва ф1) Заяви еци ал ьное конструктор с кое сшего и среднего специаль 5 Й) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИИ И ИССЛЕДОВАНИЯ КОЛЕБАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ1Изобретение относитс че нолабораторному приборостроению и пред назначено для про ведени я э кс пери ментов и демонстрации законов механики.Известно устройство для демонстрации й исследования различных видов колебательного движения, содержащее корпус, каретку с переменной массойт установленную с воэможностью прямолинейного возвратно-поступательного перемещения на газостатических направ ляющих и связанную с регулируемым по частоте механизмом возбуждения колебаний посредством, по крайней мере, двух параллельных пружин, работающих на сжатие и растяжение, закрепленных на одном из торцов каретки и на штоке механизма возбуждения колебаний, Кроме того, устройство содержит индукционный регулируемый демпфер колебаний каретки с последовательно соединенным с ней подвиж ным.сердечником, перемещающимся в электромагнитном поле катушки демпфирования и имеющим сопротивлениедвижению, пропорциональное первойстепени скорости, за счет взаимодействия возникающих в нем вихревых токов с электромагнитным полем катушки демпфирования. При этом на каретке установлена пишущая головка, контактирующая с носителем записи, выполненным в виде рулона электрочувст 16.вительной бумажной ленты, кинематически связанной с ведущим валикомрегулируемого привода и контактирующей с натяжным валиком 11 , .Известное устройство обладает недост аточной степен ь ю на глядности демонстрации колебательных движенийв больших аудиториях, так как наи- .большая амплитуда колебаний каретки(колеблющейся массы) составляет примерно 20 мм иэ-за ограниченных возможностей испол ьзо ванных в и з вест номустройстве гаэостатических направляю"щи х с кареткой, превышающей по длине газостатические направляющие навеличину хода каретки, а также способов демпфирования колебаний ка. ретки, записи информации, конструкции и расположения пружин, связанныхс кареткой,5Выполнение в известном устройствекаретки с длиной, превышающей длинугазостатических направляющих на величину хода каретки (двойной амплитуды колебаний каретки), не позволяет оувеличить амплитуду колебаний каретки и соответственно повысить наглядность демонстрации колебательныхдвижений, так как при значительномувеличении амплитуды происходит нарушение равновесного состояния каретки при ее движении по направляющим.Кроме того, длина сердечника демпфера должна быть равна, по крайнеймере, двойной амплитуде колебаний 20каретки, что при консольном креплении его на каретке также приводитк опрокидыванию каретки, а такжек общему увеличению габаритов установки. Известный демпфер не позволяет также непосредственно судить оналичии сопротивления и относительной его вели чины, которое создаетдемпфер при д ви жени и карет ки, Приэтом эксплуатационные возможности ЗОизвестного устройства недостаточновысоки, так как оно позволяет исследовать и демонстировать свободныеколебания только с сопротивлением,пропорциональным первой степени скорости движения каретки, и только срегулируемой частотой вынужденныхколебаний каретки.Наличие пружин, работающих какна растяжение, так и на сжатие, также не обеспечи вает надежную работуустройства при больших амплитудахколебаний каретки, так как пружина,работающая на сжатие, неустойчивав продольном направлении и подверже 45на изгибу при значительном сжатии,В известном устройстве используется рулонный носитель запи си, увеличение которого для обеспечения наглядности в больших аудиториях трудно реализуемо и нецелесообразно.Толщина линии на электрочувствительной бумажной ленте примерно равна толщине линии шариковой ручки, что не позволяет обеспечить хорошую видимость записи на большом расстоянии, и, кроме того, из-за наличия трения между пишущей головкой и носителем записи колебательные движениявоспроизводятся с некоторым искажением.Цель изобретения - повышение наглядности демонстрации колебательныхдвижений в больших аудиториях, точности воспроизведения колебательныхдвижений и расширение эксплуатационных возможностей путем обеспечениядемонстрации свободных колебаний нетол ько " сопроти влени ем, пропорциональным первой степени скорости, нои с постоянным сопротивлением, например, с кулоновым трением.Указанная цель достигается тем,что устройство для демонстрации иисследования колебательного движения,содержащее корпус, каретку с переменной массой, установленную с возможностью прямолинейного возвратно-поступательного перемещения на газостатических направляющих и связанную срегулируемым по частоте механизмомвозбуждения колебаний, соединенныес кареткой пружины, одна из которыхсвязана со штоком механизма возбуждения колебаний, регулируемый демпферколебаний каретки с подвижным органом, имеющим сопротивление движению,пропорциональное первой степени скорости движения, установленную накаретке пищущую головку, ленточныйноситель записи, кинематически связанный с ведущим валиком регулируемого привода, снабжено дополнительным регулируемым демпфером колебанийкаретки с постоянным сопротивлениемдвижению, подвижными визирами, одиниз которых устачовлен на каретке, адругой - на штоке механизма возбуждения колебаний каретки, неподвижныйвизир, смонтированный на корпусе напротив подвижного визира штока, приэтом другая пружина соединена с корпусом и расположена последовательнос первой пружиной по отношению к каретке, а каретка выполнена с длиной,меньшей длины направляющих на величину двойной максимальной амплитудыколебаний каретки,При этом основной регулируемый демпфер колебаний каретки выполнен в виде продольного прозрачного сосуда с демпфирующей жидкостью, имеющего шкалу с передвижными, визирами и установленного на газостатических направляющих, а его подвижный орган выполнен в виде, по крайней мере,одного тела вращения, закрепленногона стержне, связанном с кареткой.Кроме того, пишущая головка выполнена в виде заполненного красящимраствором баллона с пульверизатором,сопло которого сообщается с рабочимзазором каретки, а подвижный органосновного регулируемого демпферасостоит из закрепленой на каретке поворотной штанги и, по крайней мере, 10трех стержней, установленных на нейс возможностью перемещения, и несущих на концах тела вращения различного диаметра.На фиг. 1 изображено устройство, 15общий вид; на фиг, 2 - то же, видсбоку; на фиг. 3 - регулируемый демпфер, общий вид; на фиг. 4 - регулируемый демпфер и каретка, вид сбоку;на фиг. 5 - дополнительный демпфер 20с кулоновым трением,Устройство для демонстрации иисследования колебательного движениясодержит корпус 1, каретку 2 с переменной массой, выполняющей роль колеблющейся массы и установленной свозможно ст ью пря мол иней но го воз вратно-поступательного перемещения нат рубчатых гаэост ати че ски х напр а вляющих 3 и связанную с регулируемым по З 11частоте и амплитуде синусным механизмом 4 возбуждения колебаний, приводимым в действие приводом с двигателем 5 посредством соединенной с кареткой 2 и штоком 6 механизма 4 возбуждения колебаний предварител ьнорастянутой винтовой пружины 7, Последовательно с пружиной 7 к противоположному торцу каретки 2 прикрепленапредварительно растянутая пружина 8,другой конец которой жестко связанс корпусом 1. В устройстве предусмотрена регулировка амплитуды колебанийштока 6 и регулировка частоты его колебаний изменением числа оборотовдвигателя 5.Кроме того, устройство содержитрегулируемый демпфер колебаний каретки 2 с подвижным органом, имеющимсопротивление движению, пропорциональное первой степени скорости движения.Указанный демпфер состоит из продоль"ного прозрачного сосуда 9 с демпфирующей жидкостью (глицерином) 10, установленного на газостатических нап 55равляющих 3, и подвижного органа,состоящего иэ закрепленных на стержнях 11 шаров 12 и 13 различного диаметра. Стержни 11 установлены с возможностью перемещения вдоль своейоси до упора и погружения шаров 12или 13 в глицерин либо непосредственно на каретке 2 (в этом случае шарики 12 закреплены на одном из концовстержней 11), либо на установленнойна каретке 2 с возможностью поворота на 180 штанге 14. Демпфер можетиметь один и более стержней 11. Вслучае, если, например, имеется тристержня 11, то шары 12 и/или 13 соди наковыю ди амет рами размещают сяпо три в виде двух рядов на концахстержней 11, установленных в поворотной штанге 14,На сосуде 9 имеется шкала 15 с передвижными визирами 16. На штоке 6,каретке 2 и корпусе 1 закреплены соответственно подвижные визири 17, 18и неподвижный визир 19. Сосуд 9 связан трубопроводом 20 и краном 21 с резервуаром 22, иэ которого демпфирующая жидкость 10 с помощью сжатоговоздуха перекачивается в сосуд 9.Через трубопровод 20 и кран 21 осуществляется также слив демпфирующей жидкости 10 из сосуда 9 в резервуар 22,Устройство, кроме того, снабженоэлектрической системой световой сигна.лизации, выполненной в виде закрепленного на корпусе 1 светового табло 23 с двумя сигнальным лампами 24и 25, включенными последовательносоответственно с герконом 26, установленным в корпусе 1 с возможностьювзаимодействия с магнитом 27, закрепленным на каретке 2 и с герконом 28,установленным с возможностью регулировки его положения в корпусе 1 и свозможностью взаимодействия с магнитом 29, установленным, например, навалу с косым кривошипом механизмавозбуждения колебаний.На каретке 2 установлена бесконтактная пишущая головка, выполненнаянапример, в виде заполненного пишущим раствором (например аммиачной водой) баллона 30 с пульверизатором 31,сопло которого сообщено рабочим зазором 32 каретки 2 посредством трубопровода 33.Устройство имеет носитель записи,выполненный в виде бесконечной подвижной ленты - экрана 34 - из белойткани с покрытием из фенолфталеинапо обоим краям которого закрепленыметаллические перфоленты 35 и 36,установленные с возможностью взаимодействия со звездочками 37 и 38, 903948закрепленными на обоих концах ведущего валика 39, кинематически связанного посредством червячного редуктора 40 и 41 с двигателем 42, имеющим регулируемую скорость вращения. Движение экрана 34 может быть непрерывным или шаговым и осуществляется с помощью геркона 43, установленного в корпусе 1 с возможностью взаимодействия с магнитами 44, связанными 1 О с ведущим валиком 39. Натяг экрана 34 обеспечивается установленным на подпружиненных рычагах 45 натяжным валиком 46.Устройство снабжено источником сжатого воздуха, например пылесосом, подсоединеным к трубчатым газостатическим направляющим 3 внутрення полость 47 которых сообщена с отверстиями 48, расположенными с одинаковым шагом в верхней части газостатических направляющих 3 на пути перемещения каретки 2.Для реализации свободных колебаний с сопротивлением движению, имеющих постоянное значение, в устройстве имеется дополнительный регулируемый демпфер с кулоновым трением, выполненный в виде симметрично закрепленной на каретке 2 плоской пружи - ны 49, на концах которой установлены гильзы 50 с вкладышами 51 из фетра, контактирующими с газостатическими направляющими 3, Для изменения силы трения имеется устновленный на каретке 2 винт 52 с коромыслом 53, упирающимся своими концами в пружину 49, На внутренних стенках сосуда 9 закреплены лопатки 54Уст анов ка поз ВОля ет демонстрироват 140 свободное и вынужденное колебания массы (каретки 2) без сопротивления, с сопротивлением, пропорциональным первой степени скорости и с постоянным сопротивлением (кулоновым тре 45 ни ем) . Перед пуском осущест вля ют напол не ни е сосуда 9 глиц ери ном 10 до заданного уровня путем его перекачки из резервуара 22 через трубопровод 20, Баллон 30 заполняют пишущим раствором(аммиачной водой) .50 При демонстрации свободных колебаний без сопротивления шток б механизма возбуждения колебаний устанавливается в подложке, когда визиры 17 и 19 противостоят один другому, а шары 12 или 13 находятся вне глицерина 10,Каретку 2 смещают на заданную величину амплитуды ее колебаний относительно равновесного положения.помощью пульта управления включают источник сжатого воздуха, образующий воздушную подушку между кареткой 3 и направляющими 30 и привод экрана 34, в результате чего каретка 2 совершает свободные колебательные движения, регистрируемые на экране 34 с помощью струи аммиачной воды, направленной на экран 34 из пульверизатора 31 с помощью воздуха, поступающего из рабочего зазора 32 через трубопровод 33 Аммиачная вода взаимодействует с Фенолфталеином, нанесенным на поверхность экрана 34, образуя соединения яркой малиновой окраски. При этом запись колебаний на экране 34 сохраняется видимой лишь на какое-то время (1,5 лен), достаточное для наблюдения, а затем исчезает в результате испарения аммиака,При демонстрации свободных колебаний с сопротивлением вводится в действие либо основной регулируемый демпфер путем погружения шаров 12 или 13 в глицерин 10, либо дополнительный демпфер с кулоновым трением путем прижатия фетровых вкладышей 5 1 к направляющим 3 с помощью винта 52.В первом случае изменение амплитуды колебаний каретки 2 происходит по закону геометрической прогресии, а во втором - по закону арифметической прогресии. С помощью передвижных визиров 16 и подвижного визира 18 можно наглядно показать относительное изменение амплитуды колебаний каретки 2 и его соответствие расчетным величинам. Дпя осуществления исследования и демонстрации колебаний каретки 2 с различным коэффициентом затухания шары 12 и 13 различного диаметра погружают в глицерин 1 О в различных сочетаниях, перемещая стержни 11 в каретке 2 или в штанге 14 до упора. Изменение ориентации малых 12 и больших 13 шаров осушествляют поворотом штанги 14 на 180.оВ случае, когда количество стержней 11 равно, по крайней мере, трем, обеспечивается изменение коэффициента демпфирования не только в зависимости от диаметра и количества шаров 12 или 13, но и от расстояния между ними в каждом ряду (в глице45 рин 10 погружают либо два смежных шара, либо два крайних) .Изменение величины сопротивления дополнительного демпфера с кулоновым трением осуществляется с помощью вин та 52.Гашение волн, возникающих в сосуде 9 при колебательных движениях каретки 2 с шарами 12 или 13, погруженными в глицерин, осуществляется ло пат ками 5 4, при крепленными к внутренним стенкам сосуда 9.При демонстрации вынужденных колебаний без сопротивления и с сопротивлением каретку 2 устанавливают в рав новесное положение. С помощью пульта управления приводится в действие источник сжатого воздуха, обеспечивающий воздушную подушку между кареткой 2 и направляющими 3, а также ме о ханизм 4 возбуждения колебаний, в. котором предварительно устанавливается заданная амплитуда колебаний штока 6 путем изменения угла косого кривошипа, а его частота колебаний 25 может изменяться от нуля до максимального значения, примерно вдвое превышающего частоту собственных колебаний каретки 2.Каретка 2 под воздействием меха- зо ниэма 4 возбуждения колебаний совершает вынужденные колебания с различными амплитудами и частотами. Величина амплитуды вынужденных колебаний может регистрироваться с помощью передвижных визиров 16.35Величина амплитуд вынужденных колебаний при последовательном из- . менении частот механи зма возбуждения колебаний 4 могут регистри 40 роватъся на экране 34 путем шагового перемещения экрана 34, согласованного с последовательными значениями частот колебаний штока 6, При этом на экране 34 пишущая головка вычерчивает отрезки прямых, равных двой- ной амплитуде колебаний каретки 2. Концы отрезков определяют резонансную кривую.помощью электрической системы световой сигнализации со световым табло 23 осуществляют индикацию частоти штока 6 механизмом 4 возбуждения колебаний, частоты колебаний каретки 2, в том числе наступление резонанса. В последнем спучае лампы 24 и 25 загораются и гаснут одновременно, цто обеспечивается предварительным перемещением геркона 28 в положение, соответствующее включению лампы 24 в момент, когда фаза штока 6 опережает фазу каретки 2 на 90оУстановка позволяет определить величину сдвига фаз колебаний каретки 2 и штока 6 при различных частот ах колебани й путе м определени я угл а поворот.а геркона 28 до положения, когда лампы 24 и 25 загораются одновременно.Наличие в предлагаемой установке регулируемого демпфера в виде продольного сосуда 9 с глицерином, в который погружены шары 12 и 13, связанные с кареткой 2, и установка его параллельно направляющим 3, т.е. параллел ьно всему пути перемещения колеблющейся массы, а также последовательная яо отношению к каретке 2 установка с предварительным растяжением пружин / и 8, а также выполнение каретки 2 меньшей длины, чем направляющие 3, позволяет по сравнению с известной установкой примерно в 20 раз увеличить амплитуду колебаний каретки 2 и соответственно габариты экрана 34 при сравнительно незначительном увеличении общих габаритов колебательной системы, что обеспечивает резкое повышение степени наглядности демонстрации колебательных движений в больших аудиториях.Наличие двух регулируемых демпферов колебаний каретки 2 и регулировки механизма возбуждения колебаний по частоте и амплитуде позволяет расширить эксплуатационные возможности установки, обеспечив демонстрацию и исследование колебаний каретки 2 при различных параметрах колебательной системы (амплитуды и частоты механизма возбуждения колебаний, велицины сопротивления движению, зависящей от типа демпфера, участвующего в работе установки).Формула изобретения1,Устройство для демонстрации и исследования колебательного движения, содержащее корпус, каретку с переменной массой, установленную с возможностью прямолинейного возвратно- поступательного перемещения на газо- статических направляющих и связанную с регулируемым по частоте механизмом возбуждения колебаний, соединенные с кареткой пружины, одна из которых9039связана со штоком механизма возбуждения колебаний, регулируемый демпфер колебаний каретки с подвижным органом, имеющим сопротивление движению, пропорциональное первой степени скорости движения, установленную на каретке пишущую головку, ленточный носитель записи, кинематически связанный с ведущим валиком регулируемого привода, о т л и ч а ю щ е е О с я тем, что, с целью повышения наглядности демонстрации в больших аудиториях, точности воспроизведения колебательного движения и расширения эксплуатационных возможностей, оно имеет дополнительный регулируенюй демпфер колебаний каретки с постоянным сопротивлением движению, подвижные визиры, один из которых установлен на каретке, а другой - на штоке механизма возбуждения колебаний каретки, неподвижный визир, установленный на корпусе напротив подвижного визира штока, при этом другая пружина соединена с корпусом и расположенапоследовательно с первой пружиной по отношению к каретке, а каретка имеет длину, меньшую длины направляющих на величину двойной максимальной амплитуды колебаний каретки.2, Устройство по и. 1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что основной 18 12регулируемый демпфер колебаний каретки содержит прозрачный сосуд с демпфирующей жидкостью, имеющий шкалу с передвижными визирами и установленный на газостатических направляющих, а его подвижный орган состоит из од. ного стержня, связанного с кареткой и, по крайней мере, одного тела вращения, закрепленного на стержне.3Устройство по пп. 1 и 2, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что пишущая головка выполнена в виде заполненного красящим раствором баллона с пульверизатором, сопло которого сообщается с рабочим зазором каретки.Устройство по пп. 1-3, о. т л ич а ю щ е е с я тем, что подвижный орган основного регулируемого демпфера состоит из закрепленной на каретке поворотной штанги и, по крайней мере, трех стержней, установленных на ней с возможностью перемещения, и несущих на концах тела вращения различного диаметра.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе 1, Прибор для возбуждения свободных и вынужденных колебаний с демпфированием. Проспект английской фирмы "Совью, 1978 (прототип) .90 3948 Составитель Г. Самбикинаактор Н. Кешеля Техред З.фанта Корректо ыдка Заказ Патент" Ужгород, ул.Проектн филиаг ПП НИИПИ Гопо дел 130 35, М Тираж 473 дарственног изобретениква, Ж,Подписноекомитета СССРи открытийушская наб., д. 4/5