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

Изобретение относится к учебным приборам по механике и позволяет расширить демонстрационные возможности гироскопических явлений, в частности для демонстрации методов определения векторов угловых скоростей и моментов сил.

Известно устройство (авт. св. № 1251156, кл.С 09 В 23/08. Бюл. №30,1986), содержащее привод, кардановый подвес, состоящий из установленной посредством оси вращения на основании рамы и расположенного в раме кольца с горизонтальной осью вращения, и установленные в кольце ротор, закрепленную одним концом на основании и связанную другим концом с осью вращения рамы спиральную пружину, а привод выполнен в виде реверсивного двигателя с регулируемым крутящим моментом, ось вращения которого кинематически связан с осью кольца.

Недостатком этого прибора является то, что его нельзя перестроить для демонстрации методов определения векторных величин при гироскопических явлениях.

Известен прибор (авт. св. № 1254532, кл. G 09 В 23/06, бюл. № 32, 1986), содержащий основание с опорой, гироскоп в виде волчка, нижний конец оси которого размещен на опоре, и стойку с вертикально закрепленным на ней упором, средство для измерения угла нутации, выполненное в виде соединенного с упором посредством стопорного винта диска, имеющего криволинейную поверхность для контактирования с осью волчка, причем нижний конец упора заострен, а верхний конец оси волчка имеет гнездо для размещения заостренного конца упора при запуске волчка.

Недостатком этого прибора является то, что его нельзя перестроить для измерения векторных величин угловых скоростей и моментов сил.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является прибор, содержащий уссл С

i4

о

$

W

тановленную на основании платформу со стойкой, электродвигатель, на ось которого насажен маховик, на стойке закреплен ворот, две контрольные планки с общей линией визирования, одна из которых установлена на электродвигателе, а другая

-на вороте, горизонтальную винтовую ось с гайкой-противовесом, установленную на свободной торце Электродвигателя, хомут, установленный на корпусе электродвигателя с возможностью перемещения вдоль него и фиксации и снабженный с обеих сторон горизонтальными штырями, перпендикулярными оси электродвигателя, на поверхности платформы установлен передвижной лимб, а электродвигатель соединен со стойкой посредством упругого элемента, выполненного в виде параллельного штыря коромысла, концы которого соединены вертикальными нитями с концами штырей, а центр коромысла соединен нитью с воротом

1.

Однако такой прибор не имеет отдельного привода для упорядочения вращения вокруг вертикальной оси, а вращается как подвес за счет процессии, возникающей в результате статической неуравновешенности гироскопической системы. Кроме того, прибор не имеет второго привода, что не позволяет создавать вынужденного прецессионного движения и тем самым расширить математические демонстрационные возможности.

Целью изобретения является расширение диапазона решаемых задач путем демонстрации векторных составляющих угловых скоростей и моментов сил.

Цель достигается тем, что учебный прибор по механике, содержащий основание с Г-образной стойкой, установленной на ней подвес с приводом вращения вокруг вертикалькой оси и гиромотор, установленный на подвесе посредством горизонтальных опор, дополнительно имеет средство для измерения величины гироскопического момента, состоящее из силоизмерителя и потенциометра, установленных на подвесе и связанных с опорами гиромотора, регулятор скорости вращения гиромотора и подвеса и средство световой индикации направления векторов гироскопического момента и угловых скоростей, при этом подвес выполнен в виде жесткой рамы, связанной со стойкой и основанием посредством полуосей, а средство световой индикации состоит из двух групп ламп, одна из которых посредством упругого контактного переключателя связана с полуосями подвеса, а другая группа - с регулятором скорости вращения.

Положительный эффект достигается тем, что в предлагаемом приборе введены новые существенные признаки, силоизме- ритель, потенциометр, регулятор скорости,

средство световой индикации.

На чертеже показан учебный прибор по механике.

Прибор содержит основание 1, ортогонально которому закреплена Г-образная

стойка 2, на которой вертикально установлен электронагреватель 3 для вращения подвеса, выполненного в виде жесткой рамы 4, связанной со стойкой и основанием посредством вертикальных полуосей 5. В

раме имеются горизонтальные опоры б, на которых подвешен гиромотор 7, функционально связанный с потенциометром 8 и силоизмерителем 9 и устройство для регулирования скоростей вращения рамы и гироh отора (не показано), для этого в пустотелых полуосях 5 проходят провода, связанные с токосъемниками, показанными над рамой и под ней, закрепленными на этих полуосях в виде цилиндров из изоляционного материала, на которых закреплены по два кольца, с которых в первом случае щетками подается ток к гиромотору, а во втором щеткой снимается ток к вольтметру, протарированному в нм. К одной из полуосей гиромотора 7

жестко крепятся стрелка-рычаг потенциометра 8 и стрелка силоизмерителя 9, назна- чение которых показывать величину гироскопического момента мг, в первом случае при выводе на прибор-вольтметр при

вращении рамы гироскопа, во втором - при остановке рамы с помощью фиксаторов, перемещающихся стрелкой силоизмерителя 9 по направляющей шкалы, что дает возможность определить максимальную величину

гироскопического момента (стрелка возвращается назад, а фиксатор остается). Гиромотор 7 с помощью рычага 10, соосного с валом гиромотора 7, воздействует на прота- рированную пружину 11, которая служит

для определения численной величины гироскопического момента. Для указания направления векторов на раме 4 и стойке 2 установлены электролампочки. На чертеже около электродвигателя 7 под номером 12

обозначены лампочки (одна из них не показана) для указания направления вектора сот. Одна из них направлена цоколем вниз, другая вверх. Эти лампочки связаны с переключателем реверсивного двигателя 3 и в

процессе его работы зажигается одна из них. Для обозначения направления вектора гироскопа гиромотора 7 по аналогичной схеме подключены электролампочки 12 (одна спереди гиромотора, другая сзади) переключателя гирсмотора, что дает возможность одной и. них включаться, указывая направление вектора. Для обозначения направления вектора гироскопического момента на раме 4 укреплены две электролампочки 12 (одка из них не показана). При повороте гиромотора 7 под действием гироскопических сил с помощью упругого контактного переключателя, представляющее собой упругие пластины, ди.- из которых укреплены на раме 4 и одна между ними на полуоси 5, включается одна из лампочек. Источник питания этих лампочек находится на раме 4.

Прибор работает следующим образом. При одновременном включении электродвигателя 3 и гиромотора 7 возникает гироскопический момент, который по правилу Н.Е. Жуковского стремится кратчайшим путем совместить ось гиромотора с осью про- цессии рамы 4 (вертикальная ось симметрии рамы 4). Но этому препятствует лротариро- ванная винтовая пружина 11, позволяющая визуально определить величину гироскопического момента с помощью силоизмерите- ля 9 при остановке рамы 4 или при ее вращении с помощью потенциометра 8, электрически связанного с углом поворота гиромотора. Используя устройство для регулирования скоростей вращения рамы 4 и гиромотора 7, регулируем величину и направление угловых скоростей вращения их валов и тем самым величину гироскопического момента, т. е. прибор позволяет получить наперед заданную величину гироскопического момента, и тем самым производить операции над векторами.

Учебный прибор по механике позволяет демонстрировать общность законов природы, в частности, векторной алгебры и теоре- тической механики. Так из векторной алгебры известно, что произведение двух векторов есть третий вектор, перпендикулярный первым двум. Направлен третий вектор в ту сторону, откуда кратчайшее со- вмещение первого вектора со вторым видно

происходящим против хода часовом стрелки.

Все это демонстрируется и проверяется на формуле

Mr l( x ад),

где Мг - гироскопический момент;

I - момент инерции гироскопа;

У1, ад - угловые скорости гироскопа и рамы.

Студент может убедиться, что правила векторной алгебры и теоретической механики совпадают. Этому помогут и светящиеся соответствующие лампочки и показания шкальных устройств, сила измерителя и потенциометра.

Формула изобретения Учебный прибор по механике, содержащий основание с Г-образной стойкой, установленной на ней подвес с приводом вращения вокруг вертикальной оси и гиро- мотор, установленный на подвесе посредством горизонтальных опор, с возможностью поворота в вертикальной плоскости относительно опор, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона решаемых задач путем демонстрации векторных составляющих угловых скоростей и моментов сил, он имеет средство для измерения величины гироскопического момента, состоящее из силоизмерителя и потенциометра, установленных на подвесе и связанных с опорами гиромотора, регулятор скорости вращения гиромотора и подвеса и средство световой индикации направления векторов гироскопического момента и угловых скоростей, при этом подвес выполнен в виде жесткой рамы, связанной со стойкой и основанием посредством полуосей, а средство световой индикации состоит из двух групп ламп, одна из которых посредством упругого контактного переключателя связана с полуосями подвеса, а другая группа - с регулятором скорости вращения.

Использование: демонстрация методов определения векторов угловых скоростей и моментов сил при гироскопических явлениях. Сущность изобретения: прибор имеет основания с Г-образной стойкой. Со стойкой и основанием посредством полуосей связан подвес в виде местной рамы. На подвесе посредством горизонтальных опор установлен гиромотор с возможностью поворота в вертикальной плоскости. На подвесе установлены потенциометр и силоизмеритель, связанные с опорами гиромотора. Прибор имеет средство световой индикации направления векторов гироскопического момента и угловых скоростей и регулятор скорости вращения подвеса и гиромотора. 1 ил.

12

x i err

Ч , H r;i i .b.

fO

К U

/

(

;. 1 .

г 4 ; я -ч;1- f

X-: :::-:--..-::

; i г L

-1. ,:, X.1

P

..4

i/

л J2.

/

- f H

f..

0:D