Устройство для демонстрации колебательных процессов Советский патент 1992 года по МПК G09B23/06 

Изобретение относится к средствам обучения, Б частности к учебным приборам по физике, и может быть широко использовано в ряде лекционных наглядных экспериментов, таких, например, как демонстрация собственных колебаний системы, вынужденных колебаний, резонанса, затухающих колебаний, декремента затухания и т.д., и найдет широкое применение в таких курсах физики, как Оптика, Колебания и волны, Спектроскопия и т.д.

Целью изобретения является повышение наглядности путем обеспечения линейной зависимости процесса затухания от скорости колебаний.

На фиг.1 приведена графическая схема устройства; на фиг.2 - вид А на фиг.1; на

фиг.З - грэф1 , схема устройстез ev1 ант.

-СТрСч -С.ТЕО

стр.ацг.

тельных процессов содержит .ьй со стопкой 1 колебательный элемент в виде градуированного диска 2. подвешенный в горизонтальной плоскости с возможностью колебания вокруг подвеса 3.

Средство для затухания колебаний диска 2 состоит из конического стакакэ J. заполненного вязкой жидкостью 5 и помещенного в него конического полого груза б, установленного на штанге 7 соос- ной с подвесом 3 с возможностью изменения глубины погружения. Погружение регулируется винтом 8. Привод возмущающей силы состоит из электродвигателя 9, регулятора 10 числа оборотов. Двигатель сос

о

JCA

;

единен с кривошипно-шатунным механизмом 11. связанным посредством нити 12 и пср.оротного блока 13 с установленным на втулке 14 рычагом 15. При этом втулка установлена на стойке 1 и связана с подвесом 3 диска 2. Один конец рычага 15 является индикатором положения возмущающей силы, а другой конец прикреплен к неподвижной амортизирующей пружине 16. Шкала диска 2 служит для измерения, амплитуды колебаний, указатель 17 - для установки начального положения и отсчета амплитуды. Шкала возмущающей силы выполнена в виде градуирован ной неподвижной втулки 1В,установленной на стойке 1.

Устройство для демонстрации колебательных процессов (фиг.З) шкала для изменения амплитуды колебаний неподвижна, а регулируемый указатель 17 находится на ;;иске, примем для установки начального по- сжения указатель 17 можно перемещать ; тноситольно диска 2.

Устройство для демонстрации колебательных процессов работает следующим ,.

При колебании груза, подвешенного на пружине, зависимость амплитуды и фазы отчужденных колебаний от частоты остается в силе и для крутильных колебаний. Нужно то. во всех формулах заменить силы моментами соответствующих сил, массу груза - моментом инерции диска, коэффи- циент жесткости пружины - модулем кручения подвеса, а координату груза - углом поворота диска, поэтому преобразования приводят к зависимости угла поворота р в виде соотношения

. , , ID A

/5 П1Р ЙЬ Ар

где (Дэ - собственная (круговая) частота колебанийтела;

частота вынуждающей силы:

А - амплитуда колебаний тела при дзн- ной частоте вынуждающей силы;

Арез амплитуда его колебания при резонансе.

Если диск 2 повернуть на некоторый угол (f вокруг вертикальной оси, а затем о1 густить, по он будет совершать вокруг оси крути .ьны-i: колебания с собственней частотой , которая зэв/.сит от момента инерции диска.2 вместе с коническим грузом б и модуля кручения подоеса 3. Благодаря внутреннему трению, возникающему в слое вязкой жидкости между стенками груза 6 и стзкпнэ 4, на груз 6 действует момент сил, пропорциональный углоьой скорости диска и вызывающий затухание его колебаний. Ззтуоние увеличивается

при опускании конического груза 6 в вязкую жидкость 5, поскольку при этом зазор между стенками груза 6 и стакана 4 уменьшается с увеличением глубины погружения конического груза в вязкую жидкость 5.

Устройство для демонстрации колебательных процессов используется следующим образом.

Индикаторы 17 и 15 шкал устанавлива- 0 ют в нулевое положение путем их передвижения при выключенной возмущающей силе.

При демонстрации определения периода и частоты собственных колебаний вынуть 5 конический груз 6 из вязкой жидкости 5 вверх и закрепить винтом 8. Отклоняют рукой маятник на фиксированное положение и. измеряя среднее время То заданного числа колебаний, демонстрируют определение

0 1 частоты собственных колебаний .

I о

Для демонстрации декремента затухания колебаний конический груз 6 опускают на фиксированный уровень в конический

5 стакан А с вязкой жидкостью 5. Отклоняют рукой диск 2 на фиксированное положение АО и отпускают. При возвращении в исходное положение диска 2 последовательно фиксируют значения его положения по шка0 ле, например Ai,A2,....An отклонения в относительных единицах шкалы, и определяют декремент затухания колебаний по соотношению Д

Ап-1

и соответственно логарифмический декремент затухания:

a -In Дср 2, Дср. Для демонстрации вынужденных колебаний включают электродвигатель 9. регулятором оборотов двигателя 10 устанавливают частоту возмущающей силы по шкале 18 и фиксируют амплитуду отклонения диска 2 по его шкале, затем, изменяя частоту возмущающей силы, показывают

изменение амплитуды колебаний диска 2 в зависимости от возмущающей силы и прохождение колебательной системы через резонанс, причем прибор дает возможность наглядно убедиться в том, что вначале при малых частотах возбуждающей силы (до резонанса) направления колебаний возмущающей силы и сопадают: стрелки по шкале 16 и пошкаг.е диска 2 движутся в одну сторону одновременно. Наоборот, при прохождении резонангэ (после резонанса) направление колебаний возмущающей силы и диска 2 противоположны: колебания диска 2 отстают по фазе от колебаний возмущающей силы на 180°.

Изменяя затухание колебательной системы путем изменения положения подвижного конического груза 6 в вязкой жидкости 5, демонстрируют угол сдвига фаз между возмущающей силой и колебаниями диска. При этом учитывают, что колебания возму- щающей силы отстают по фазе от колебаний диска. При этом также имеется возможнос ность затухающих колебаний диска за счет изменения положения конического груза в вязкой жидкости.

Таким образом, устройство для демонстрации колебательных процессов дает воз- можность демонстрировать такие колебательные процессы, как собственные колебания и их частота, декремент затухания и возможность его анализа, резонанс- ные колебания с возможностью визуализации фазовых соотношений между возмущающей силой и колебаниями маят-

ника, затухающие колебания и их фазовые соотношения.

Формула изобретения Устройство для демонстрации колебательных процессов, содержащее связанный со стойкой колебательный элемент в виде градуированного диска, кинематически связанный с приводом возмущающей силы, и средство для затухания колебаний, отличающееся тем, что, с целью повышения наглядности путем обеспечения линейной зависимости процесса затухания от скорости колебаний, диск подвешен на стойке в горизонтальной плоскости с возможностью колебаний вокруг подвеса, средство затухания выполнено в виде конического стакана, заполненного вязкой жидкостью, и помещенного в него с возможностью изменения глубины погружения конического груза, связанного с диском посредством штанги, расположенной соосно с подвесом диска.

Изобретение относится к средствам обучения, в частности к учебным приборам ПО фИЗИКе. И УОЖет быТо ИГГ:СЛЬЭСВЭНО В ряде лекционных наглядных экспериментов по физике при изучении колебаний. Цель изобретения - повышение нагляднссти путем обеспечения линейной зависимости затухания от скорости колебаний. Устройство для демонстрации колебательных процессов содержит колебательный элемент в виде градуированного диска, кинематически связанный с приводом возмущающей силы, и средство для затуланик колебаний. Длс. подвешен в горизонтальной плоскости с возможностью колеоаний вокруг подс.-СЭ. а средство затулония выоплнено о виде конического с вязкой жидкостыс и помещенного в него с возможностью I-:M ji-e. глубины погружения конического гр, з;. ;; заннсго с диском посре оспой с диском. 3 ил. IC tiCM , ССи

е

А

15

П

18

Фиг. 2

2206