Учебный прибор по физике Советский патент 1987 года по МПК G09B23/08 

11300538

Изобретение относится к учебным при- мещения

23, и р нен с к

борам по физике и может быть использовано для демонстрации закона движения центра масс материальной системы тел.

Цель изобретения - повышение наглядности демонстрации и точности регистрации колебательного движения.

При работе двигателей 14 их вращающие моменты через шестерни 15 и 16, представляющие понижающий редуктор.

На фиг.1 схематически представлен

- fn приводят во вращение кривошипно-куучебный прибор; на фиг.2 - схема деи-

ствующих сил и моментов учебного прибора .

Учебный прибор по физике содержит корпус 1, кронштейн 2, торсион 3,

лисный механизм 17, кулиса которого совершает при этом встречные угловые, колебательные движения (качания). Эти угловые колебания движения через по- )5 вышающий редуктор 18 и 19 передаются осям вращения и каждой маятниковой колебательной системы, полые диски 13 которых вместе с маятниковыми 5 и балансировочными 6 инерционными мас- 20 сами совершают при этом встречные

угловые (крутильные) движения с большой угловой амплитудой (), производя закручивание торсиона 3 с частотой вынужденных угловых движений Учебный прибор имеет также упруго- ... , „чio о

-,25 (вращении) полых дисков 13. В зависидве маятниковые колебательные системы, каждая из которых имеет ось вращения 4, маятниковую и сменную балансировочную инерционные массы 5 и 6 и снабжена средством для задачи и регулировки частоты ее колебаний, и средство для регистрации перемещений корпуса 1 при воздействии маятниковых колебательных систем.

35

демпфирующий подвес 7, связанный с корпусом 1 и кронштейном 2, средство для регистрации перемещений корпуса состоит из связанной с кронштейном 2 силоизмерительной пружины 8, соеди- ненного с ней и корпусом 1 коромысло- вого стержня 9 с стрелочным указателем 10 на одном конце и уравновешивающим грузом 11 на другом конце и шкалы регистрации перемещений 2.

При этом каждая маятниковая колебательная система имеет полый диск 13 с размещенной в нем с возможностью

свободного вращения сменной балансировочной массой 6 и жестко закрепленной маятниковой инерционной массой 5. Средство для задачи и регулировки частоты колебаний каждой маятниковой колебательной системы состоит из двигателя 14, соединенного через понижающую зубчатую передачу, имеющую шестерни 15 и 16, кривошипно-кулисньй

механизм 17 и повьш1ающую зубчатую передачу , имеющую шестерни 18 и 19с осью вращения 4 маятниковой колебательной системы. I

Торсион 3 одним концом посредством конической передачи 20 связан с осью вращения 4 каждой маятниковой колебательной системы, а вторым концом посредством натяжного устройства, состоящего из плунжера 21 с центральным отверстием, в котором расположен с возможностью поступательного перемости 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 3 - дорезонансный, резонансный и послерезонансный. Каждому из 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 кри- вошипно-кулисными механизмами представляет собой материальную систему тел учебного прибора. Под действием

1}5 указанных силовых воздействий (силовых импульсов), положительная составляющая которых определяется амплитудой силы F , где К - коэффициент, определяемый величиной и ге50 ометрией инерционных масс; Cfg/O) - амплитуда и угловая частота колебаний полого диска, корпус через упруго- .- демпфирующий подвес 7 отклоняет стрелочный указатель 10 коромыслового

55 стержня 9 от нулевого заданного положения, что фиксируется по шкале 12. Упругодемпфирующий подвес 7 позволяет при этом ослаблять или полностью устранять не представляющие интереса вымещения

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.

5

мости 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 3 - дорезонансный, резонансный и послерезонансный. Каждому из 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 кри- вошипно-кулисными механизмами представляет собой материальную систему тел учебного прибора. Под действием

5 указанных силовых воздействий (силовых импульсов), положительная составляющая которых определяется амплитудой силы F , где К - коэффициент, определяемый величиной и ге0 ометрией инерционных масс; Cfg/O) - амплитуда и угловая частота колебаний полого диска, корпус через упруго- .- демпфирующий подвес 7 отклоняет стрелочный указатель 10 коромыслового

5 стержня 9 от нулевого заданного положения, что фиксируется по шкале 12. Упругодемпфирующий подвес 7 позволяет при этом ослаблять или полностью устранять не представляющие интереса вы31300

сокочастотные составляющие силовых импульсов, которые приводят к дрожанию стрелочного указателя 10 и мешают наблюдениям при демонстрациях, ко- торые могут проводиться при действии различных (совместно действующих и разделенных) сил инерции маятниковых 5 и балансировочных 6 инерционных масс.

Режимы работы устройства при де- fO ния крутильных колебаний;

монстрации устанавливаются заданием соответствующей скорости вращения двигателя 14. При этом задаваемые значения скорости вращения этих двигателей определяются из теоретически

предсказываемого режима вертикальных колебаний только корпуса 1 на упруго- демпфирующем подвесе 7, так как за период колебаний корпуса 1 коромыс- ловый стержень 9 можно в первом приблежении считать неподвижным. Колебания корпуса 1 и маятниковых колебательных систем определяются системой действующих сил и моментов схемы на фиг.2, где М - масса корпуса 1 с двигателями 14, кулисными механизмами, понижающими и повышающими)едук- торами;

т, I - масса и момент инерции маятниковых инерционных масс 5;

т - масса балансировочных инерционных масс 6;

JE -Е7) Ь а IS i{ «Cf)lslnc, .

i( (in-mg)Igsincfjfsin(p+ Alcf coscfi(1)

dV dt

В

dqdZ.

iT)( il f) - )binc,

1 г г1

i (y BpoSin(ot+(m-mg)gsintfj+2(m-mgf cjp cosCf sincf | (2)

где A Ig + I + (m+mg); В (M+2(mg + m + mg)), E((f) AB-2(m-ins),

и выполняется условие

cZo М+2(тэ +m-Hn5)g

во время демонстрации, целесообраз- 45 но предварительно находить с использованием ЭВМ. Приближенную оценку ожидаемого решения системы дифференциальных уравнений и соответствующего результирующего воздействия колеВследствие существенных дифферен- Q баний корпуса 1 через упругодемпфиру- циальных уравнений динамической моде- „щий подвес 7 на коромысловый стерли точное решение системы для харак- жень 9 можно получить из уравнения терных режимов работы, исследуемых движения центра масс системы тел

1

,

i I ,- -2(n.-m) (i|-Jsincf Uj) coscf)| ,

.dcfJ

которое после подстановки значений преобразуется к виду

- расстояние осей симметрии маятниковых 5 и балансировочных 6 инерционных масс от осей вращения А полых дисков 13;

т,,, Ig - масса и момент инерции полых дисков 13;

В,,К - приведенные к осям 4 вращающий момент двигателя 14. жесткость торсиона 3 и коэффициент демпфироваср - угол поворота полых дисков 13 от начального нулевого положения;

с, b -жесткость и коэффициент демпфирования упругодемпфирующего подускорение силы тяжестиJ

X dZ . . dcf время j , Z -- , - .

dt

dt

dt

При использовании двигателей достаточной мощности можно пренебречь изменением заданной скорости их вращения под действием переменных моментов инерции маятниковых колебательных систем. Полагая, что D D sinot и учитывая связанность колебаний обеих маятниковых колебательных систем, колебательные движения корпуса 1 на упругодемпфирующем подвесе можно представить системой двух дифференциальных уравнений

j) coscf)| ,

.dcfJ

(3)

dfZ ц.м - t

-(),

dZ „

где j HZ- функции времени, определяемые из решения системы дифференциальных уравнений (1, 2) для различных СО .

Из последнего уравнения следует, что при характерными режимами работы устройства являются те,при которых CJ и, следовательно, задаваемая скорость вращения двигателей 14 варьируется в области резонанса как для крутильных колебаний маятниковых колебательных систем, так и для верт тикальных колебаний корпуса 1 на уп- ругодемпфирующем подвесе 7. При совп дении со с каждой из этих частот происходит резкое увеличение соответствующих колебаний, которое приводит к уменьшению результирующего динамического воздействия корпуса I через упру го демпфирующий подвес 7 на коромысловый стержень 9. Такое поведение учебного прибора объясняется фазовым сдвигом соответствующих вынужденных колебаний. При резонансе этот сдвиг равен . и /2, после резонанса при достаточном удалении от него фазовый сдвиг приближается к , поэтому соответствующее результирующее динамическое воздействие на корпус приближается к величине, имевшей место в дорезонансной зоне колебаний, но с обратным знаком. Эти изменения результирующего динамического воздействия на коромысловый стержень 9 при родят к угловым поворотам последнего которые регистрируются с помощью стрелочного уакзателя 10 и шкалы 12. ,

Учебный прибор обеспечивает, таким образом, .существенное повьшение наглядности колебательного движения исследуемой материальной системы тел подвещенной на зшругодемпфирующем подвесе 7, и может быть использован как для демонстрационных целей дпя

5

13005386

больших групп обучающихся, так и научно-исследовательских целей.

Формула изобретен

-5 0 5 0

5

0

Учебный прибор по физике, содержащий корпус, кронштейн, торсион, две маятниковые колебательные системы, каж;;л,ая 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, отличающийся тем, что, с целью повьш1ения наглядности демонстрации и точности регистрации колебательного движения, он имеет упругодемпфирующий подвес, связанный с корпусом и кронштейном, а средство для регистрации перемещений корпуса состоит из связанной с кронштейном силоизмерительной пружины и соединенного с ней и с корпусом ко- ромыслового стержня со стрелочным указателем на одном конце и уравновешивающим грузом на другом конце, при этом каждая маятниковая колебательная система имеет диск с щенной в нем с возможностью свободно- го 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 повышсцощую зубчатую передачу с осью вращения маятниковой колебательной системы, причем торсион одним концом посредством крнической передачи связан с осью вращения каждой маятниковой колебательной системы, а вторым концом посредством натяжного устройства соединен с корпусом.

а

C()92

11

М

1

t f+fiy

Составитель Т.Григорян Редактор Н.Горват Техред К.Кравчук . Корректорам.Король

Заказ 155/51 Тираж

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5

Производственно

-полиграфическое предприятие,г.Ужгород,ул.Проектная,4

f (f1+2(n7g +fn +mif jlg ZJ фиг, 2

Изобретение относится к учебным приборам по физике и позволяет повысить наглядность демонстрации и точности регистрации колебательного- движения маятниковой колебательной системы. Маятниковые колебательные системы установлены в корпусе 1, подвешенном на упругодемпфируюш;ем подвесе, связанном со средством для регистра/тт Х ции перемещений корпуса 1 под воздействием маятниковых колебательных систем. Средство для задачи и регулировки частоты колебаний маятниковой колебательной системы состоит из двигатели 14, соединенного через понижающую зубчатую передачу имеющую шестерни 15, 16, кривошипно-кулисный механизм 17 и повышающую зубчатую передачу, имеющую шестерни 18, 19, с осью вращения 4 полого диска 13, упругий элемент выполнен в виде торсиона 3, одним концом- посредством конической передачи 20 связанного с осью вращения 4, а другим концом посредством натяжного устройства с корпусом 1. 2 ил. ю (Л ел 00 00