Учебный прибор по механике Советский патент 1992 года по МПК G09B23/06 

Изобретение относится к учебным пособиям по механике и может использоваться в качестве демонстрационного или лабораторного прибора для количественной оценки выполнимости законов сохранения момента импульса и механической энергии, измерения момента трения в системе, изучения его зависимости от скорости вращения и определения момента инерции тела любой конфигурации относительно вертикальной оси.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей путем обеспечения количественной проверки законов сохранения механической энергии и момента импульса.

На фиг. 1 схематически показан учебный прибор, общий вид; на фиг.2 - схема блока управления и регистрации; на фиг.З - схема измерения углового положения барабана; на фиг.4 - диаграммы сигналов на некоторых элементах блока управления и регистрации.

Учебный прибор по механике содержит установленную на основании 1 ось 2, несущую барабан 3. На боковой поверхности барабана 3 радиальноустановлена шпилька 4, на которую накидывается петля, выполненная на одном конце гибкого элемента - нити 5. Другой конец нити 5 соединен с тарированной пружиной (динамометром) 6, установленным на основании 1. Горизонтальные консоли 7 на противоположных сторонах барабана 3 удерживают наклонные направляющие 8. В последних просверлены отверстия для установки фиксаторов 9 конечного положения грузов 10, скользящих вдоль направляющих 8. Величина наклона направляющих 8 выбирается экспериментально такой, чтобы скомпенсировать силу трения скольжения грузов 10 вдоль направляющих 8, т.е. чтобы они свободно скользили по направляющим 8 до фиксаторов 9

Ё

О СП 00

ел

4

к.;,,.(н .;гп положения в состоянии покоя системы.

Грузы 10 удерживаются в исходном. г,,:и-к;-1Йшем г: оси крмщенглл пг /южонии. фи -.i-атомами 1 i. впрессованными а дигж 12 выполненной из ферромагни ного мнтери-iiia и установленной на оси барабана 3. Диск 2 может перемо .мггп.ся ьдолг- оси ера- щенич ,о хвостовику 3 барабан -г до огря

HH ii - f Ј ЛЯ 1-1. Над ДИСКОМ 12 Г.ООСНО Г. НИМ Но

расстоянии, обеспечиваю :- и магнитную

CHf.i.jt- С ДИСКОМ 1 /СтанОН пен НЕПОДВИЖНО

электромагнит 15

На конце одной из коиголеп 7 укреплена и; горкл 1б. а -ТрЗйкТСГ И.:. , О

тог/ой учлрнснипнм оптрониыс пары I и 6. отичеслис осп которых расположены

:;ПаЛ 1( -ЬМ J . ( РЧЩРНПЧ бпОЗбаНЙ 3 И . . ..i-.,.1 ; НО Ч Ј с. заД НП i ЫП УГОЛ

, (Фиг 2). U.r ip: .a 10 и оптронные пары 17

-; : 3 оП;-13ч: ц;г дчч .,(/ 19 а У ух у /юных поло- . ,ни озрабапа 3. Для учраплпния процес.-.. ,,-: ч i;sfH: рдцпм реяультнтов

С : - .., : Г О;ЮК Х1 , 1 }(Л Ь If1 И : Л DP ИС 1 рС ЦИИ

L.. 0 УР- содер;кит дг i входных уси- i. 4nii4 / и 22. триггеры 23 зчпуска и 7.4 .T,:}, улегч -. iv И/1И 25, три элемента tl - Я cot i4ii. i /i ком .1угячор 29 времен- н:: х мчтерняло; ;. юнерятор 30 опорной час-:.(Ы, -:.-или гень - 31 мощности С:;гипр1-рук: щив узль 32 и 33 и элементы коммутации - тумблер 34 Электромагнит п кнопку 35 Cfinoc.

Усилители 2 1 и 22 служат дня согласования выходов датчика 19 с элементами блокя 20 УР Триггер 23 запуска и элемент 26 сое падения предназначены для синхронизм пуска блок 20 УР с определоннь , угг.окып положением блрэбана 3.

Коммутатор 2(1 представляет собой по- гпедовательно создиненные двоичный Tjj .ii f еоный cire: . мх 36 и дешифратор 37 доо- |-1Ч|-1Сло KO ia и имеет один информяционн и п один -. 1ра0ляю1Ц 1й п,о/ .ь и л.па информационных (первый и трети) и два управляю дих (второй и четвер ь й) вых(.)да и служи ,:;тя распределения временных иитерпг. Ю) по регистрирующим узла --; 32 и 33 и ynp;sr;

ИЛЩИХ С1 |ГН ЛОВ уСИ НИвЛь 31 Г-ЮЩНОСП

и на триггер 4 запрета

Усилитель 31 мощности состоит ио юн денсслора 38 большой ewi.oi- и. соединенного с блоком 39 пиг.чми -;ерез ре:.ьтстор 1и i-i i, КУГ-/ШКОЙ элек ромзгшп 15 epcj итри- отор 41, и пррднг зн,тчен ;,л уиленпя vfi РЙЬЛЯЮЩОГО Ci. Ha/ia -. Mrv/i.i opa 29 - вкл)О с1-:-;я электро - ;зчита 15 Трипор запрета служ1; ; дпч д;.;п.1матичем ого про

:ОЧ . HMPy;;i.COri

датчи-:..

элемент 26 совпадения после завершения двух оборотов барабана 3. Первый выход датчика 19 (выход оптронной нары 17)соединен с входом первого входного усилителя

21. выход которого через триггер 23 и схему 26 совпадения подключен к информационному входу коммутатора 29.

Одновременно выход усилителя 21 подан на вход элемента ИЛИ 2П, Второй выход

датчика 19 (выход оптронной пары 18) соединен г входом зторою входного усилителя 22. выход которого подключен к друюму нходу элемента ИЛИ 25, Первый выход коммутатора 29 через второй элемент 27 совпад ния соединен с информационным входом парного регистрирующею узла 32. Второй выход коммутатора 29 через усилитель 31 мощности и тумблер 34 подключен к катуш- лек.трома пита 15 Третий выход коммут а т о р а 29 через трети и элемент 28 спчпаденип подан ну информационный БХ- Д рлорого регистрирующего узла 33. Четвертый выход коммутагора 29 соединен че роз три rep 24 с треп-им входом элемента

6 совпадения. Вторые входы элементов 27 и 28. совпадения соединены с выходом генератора 30 опорной частоты. Управляю- щ(- е входы г.оммутатора 29 и регистрирующих узлов 32 и 33, а также вторые входы триггеров 23 и 24 соединены через кнопку 35 с общей точкой Кнспка 35 Сброс . служащая для сброса в ноль с,11ет- чика 36 и регистрирующих узлов 32 и 33 и для начальной установки триггеров 23 и 24,

и тумблер 34. соединяющий выход усилителя 31 мощности с катушкой электромагнита 15. расположены на передней панели блока 20 УР.

Подвижные грузы 10 выполнены в виде

) иаров со сквозным диаметральным отверстием. Оптронные пары 17 и 13 изготовлены на базе фотодиодов ФД-8. В качестве элемент пой базы при изготовлении блока 20 УР использованы микросхемы 155-й серии.

В уснл /.теле 31 мощности применены

-ирисюр КУ 201 электролитический конденсатор типа К 50-6 емкостью 2000 мкФ, величина сопротивления резистора 40 выбрана такой. чтоСы ок через тиристор 41 и 1 резистор 40 от блока ЗУ питания был меньше тока удержания тиристора. В качестве регистрирующие узлоп 3 и 33 применены

-.., етчики-секундг) с-ры учебные Кварц УГЧИ 3.770.OU6 iV ; оператор 30 опорной ча- , C. реализовуь , стандартной схеме мулы ивмбра горо на ;(: ,-ических злементах с применение .- RC-aaMaKjitiefi цепочки.

Учебный приЬор по механике работает

. о иг- о опар.ом

При равновесном положении тэриро- пянной пружины (динамометра) 6, шторка 16 должна перекрывать оптическую ось оп- тронной пары 17.

Прибор приводят в рабочее состояние. Для этого грузы 10 закрепляют фиксатором 9 конечного положения или фиксатором 11 исходного положения на заданном расстоянии о оси вращения. Накинув петлю нити 5 на uin-..i/n-:-.у 4,вручную поворачивают барабан о против часовой стрелки, при этом нить 5. наматываясь на барабан 3. растягивает пружину. Нажатием кнопки 35 Сброс при- р.одя ас эпемунты схемы в исходное состояние, при котором Hi- выходе триггера 24 запрета устанавливается высокий потенциал, на пьгхо.г-.. триггера 23 запуска - низкий потенциал и счвгчик 36 коммутатора 29 и регистрирующие узлы 32 и 33 устанавливаются в исходное состояние. Затем барабан 3 освобождают и он за счет силы растянутой пружины 6 приходит во вращение.

К моменту достижения пружиной 6 равновесия система приобретает максимальную скорость вращения, петли на конце нити 5 соскальзывает со шпиоьки 4. я шторка 16 последовательно пересекает оптические оси оптронных пар 17 и 10 датчика 1Q. На оыходяхоптронныхпар 17 и 18 возникают импульсы, поступающие н входы усилителей 21 и 22. Первый импульс, пройдя усилитель 21 и действую на триггер 23, открывает элемент 26 совпадения пропускающем импульсе с выхода усилителя 21 через схему ИЛИ 25 к входу коммутатора 29, Это вызынаетвозбуждение первого выходи коммутатора 29, которое открываег элемент 27 совпадения, пропускающим импульсы опорной частоты от генератора 30 к первому регистрирующему узлу 32, фиксирующему длительность временного интервала до прихода второго импульса от оп.опары 18. Этот интервал времени поворота барайанз 3 на угол Л(/ соответствует максимальной скорости вращения.

Второй импульс, вызванный пересечением шторкой 16 оптической оси оптопары 18, возбуждая выход 2 коммутатора, закрывает первый регистрирующий узел 32 и активизирует усилитель 31 мощности, который включает электромагнит 15. При этом диск 12 под действием магнитной сипы поднимается по хвостовику 13 до ограничителя 14. фиксаторы 11 исходного положения грузов 10 выходят из отверстий в грузах и освобождают их. До момента формирования следующего импульса от оптронной пары 17 грузы 10 успевают переместиться по направляющим 8 до фиксаторов 9 их конечного положения. Очередное пересечение

оптических осей оптронных пар 17 и 18 шторкой 16 сопровождается возбуждением выхода 3 коммутатора и формированием и измерением временного интервала регистрируемого узлом 33, соответствующего скорости вращения системы через один оборот после первого измерения с измененным положением грузов.

С переходом возбуждения на четвертый

выход коммутатора 29 триггер 24 переключается и запирает схему 26 совпадения, поэтому дальнейшее вращение системы не изменяет состояние выходов коммутатора 29, пока не будет снова нажата кнопка 35

Сброс. При повторном нажагии кнопки 35 в процессе свободного вращения регистрирующие узлы 32 и 33 зафиксируют интервалы времени, соответствующие скоростям дпух последовательных оборотов барабана.

Проверка закона сохранения и превращения энергии осуществляется при выключенном с помощью тумблера 34 электромагнита 15, Грузы 10 фиксируют в заданном положении на направляющих 8

фиксаторами конечного положения 9, которому соответствует момент инерции системы .

Прибор приводят в рабочее состояние, растянув пружину 6 на заданную длину Лх

и, предварительно нажав кнопку 35 Сброс, отпускают. Система приходит во вращение, и регистрирующий 32 фиксирует интерсят времени, соответствующий максимальной скорогти вращения системы

в момент соскальзывания rrv-v; нити 5 со шпильки 4 на барабане .

Предлагаемый учсоный гркпор по механике в результате введения в него совокупности новых по ср йненио с прототипом

элементов может быть использован не только и качестве демонстрационной, но и л.эбо- рэторной установки для количественной проверки выполнимости законов механической энергии и момента импульса, за счет

уменьшения влияния сил трения и применения блока регистрации и управления. Прибор может использоваться для определения момента сил трения качения и его зависимости от скорости вращения системы, а также

для измерения момента инерции тела любой формы относительно вертикальной оси вращения и проверки теоремы Штейнера.

Формула изобретения

Учебный прибор по механике, содержащий установленный на вертикальной оси барабан с закрепленными на нем рздиально направляющими с подвижными грузами, фиксаторы исходного положения грузов, источник механической энергии, через гибкую связь кинематически соединенный с барабаном, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей путем обеспечения количественной оценки закона сохранения энергии, в него введены дополнительно закрепленный на оси барабана электромагнит с подвижным ферромагнитным диском, ограничители конечного положения грузов и светонепрони- цаемая шторка, закрепленные на направляющих, датчик угловых положений барабана, выполненный в виде двух оптрон- ных пар, взаимодействующих со шторкой, а также блок управления и регистрации, при этом направляющие установлены с наклоном, фиксаторы исходного положения закреплены на ферромагнитном диске, источник механической энергии выполнен в виде тарированной пружины, датчик угло- вых положений через блок управления и регистрации связан с электромагнитом, при этом блок управления и регистрации выполнен из двух входных усилителей, триггеров запуска и запрета, элемента ИЛИ, трех эле- ментов совпадения, коммутатора временных интервалов, усилителя мощности, генератора опорной частоты, регистрирующих узлов и двух элементов коммутации, причем выходы датчика соединены с входами усилителей, выход первого усилителя через последовательно соединенные триггер запуска и первый из элементов совпадения подключен к информационному входу коммутатора, выход второго усилителя через элемент ИЛИ соединен с выходом первого усилителя, первый и третий выходы коммутатора через второй и третий элементы совпадения соответственно соединены с информационными входами регистрирующих узлов, второй выход коммутатора подключен через усилитель мощности и элемент коммутации к электромагниту, четвертый выход коммутатора через триггер запрета соединен с третьим входом первого элемента совпадения, управляющие входы коммутатора, регистрирующих узлов, вторые входы триггеров запуска и запрета через второй элемент коммутации соединены с общей точкой, а выход генератора опорной частоты соединен с вторыми входами второго и третьего элементов совпадения.

Изобретение относится к учебным пособиям по механике и может использоваться в качестве демонстрационного или лабораторного прибора для количественной оценки выполнимости законов сохранения момента импульса и механической энергии. Целью изобретения является расширение функциональных возможностей за счет обеспечения количественной проверки законов сохранения механической энергии и момента импульса. Прибор содержит закрепленный на оси барабана электромагнит с подвижным ферромагнитным диском, ограничители конечного положения грузов и светопроницаемую шторку, а также датчик угловых положений барэбзна в виде двух оптронных пар, взаимодействующих со шторкой. Кроме того, прибор содержит блок управления и регистрации, связанный с да г- чиком двух угловых положений барабана. 4 ил.

/////////////у/////////,

/////////////////////////////////////////////////

16

-7-Г

/J /г////////

Щ1

фиг

Фиг.З