УЧЕБНАЯ МОДЕЛЬ МЕХАНИЧЕСКОЙ КОЛЕБАТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ Российский патент 2015 года по МПК G09B23/18 

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 E_m и груза E_m2 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.

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.

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.