УЧЕБНЫЙ ПРИБОР ПО ДИНАМИКЕ СВОБОДНО ВРАЩАЮЩЕЙСЯ СИСТЕМЫ ТЕЛ Советский патент 1969 года по МПК G09B23/06 

Предлагается учебный прибор для изучения закона динамики свободно вращающейся системы тел. Прибор облегчает усвоение изучаемых явлений и закономерностей и позволяет учитывать на неподвижных шкалах величину угловой скорости вращения системы тел и расстояния вращающегося тела от оси вращения; наблюдать по показаниям неподвижного динамометра величину центростремительных сил, действующих на вращающиеся тела; производить опытную проверку законов вращательного движения тел и закона сохранения суммы моментов количеств движения (суммарного вращательного момента) свободно вращающейся системы тел при переходе ее из одного состояния в другое, а также измерять соверщаемую работу при переходе системы свободно вращающихся тел из одного состояния в другое с опытной проверкой закона сохранения энергии.

Для этого он выполнен в виде штанги со свободно -надетыми на ее концах сменными грузами. Штанга укреплена так, что она может поворачиваться на перпендикулярном к ней градуированном стержне, скользящем во втулке, устанавливаемой неподвижно на щтативе. При этом грузы штанги с помощью хомутиков и гибких лент, перекинутых через ролики, соединены с поворотным крючком для подвешивания прибора к неподвижному динамометру, а стержень имеет на конце крючок для подвешивания гирь.

На фиг. 1 изображен предлагаемый прибор, общий вид; на фиг. 2 - сменный груз.

Прибор выполнен в виде горизонтально расположенной штанги /, несущей сменные подвил ные грузы 2 и с пол1ощью подшипников укрепленной поворотно на перпендикулярном к ней составном осевом стерл не 3. Последний в нижней части снабжен крючком 4 и может скользить вдоль оси во втулке 5, устанавливаемой неподвижно на штативе или закрепляемой винтом 6.

Вдоль стержня 3 нанесены деления: одна шкала проградуирована в единицах длины, другая шкала - в единицах уГоЮвой скорости. Длина стерл ня составляет приблизительно половину длины штанги 1.

Сменные грузы 2 с помощью хомутиков 7 и гибких лент 8, перекинутых через ролики 9, подвешенного на подшипнике крючка 10 соединены с новоротным вокруг вертикальной оси крючком // для подвешивания прибора на подвижном динамометре.

Работает прибор следующим образом.

5

Втулку 5 закрепляют винтом 6 на нилснем конце стерн ня 3 и вместе с прибором устанавливают ее неподвижно в штативе в вертикальном положении на высоте, превышающей длииу стерл ня 3.

При расположенных на концах штанги 1 грузах 2, как показано на фиг. 1, прибор подвешивают на неподвижно укрепленном динамометре за крючок 11. Штанге с грузом сообщают вращательный импульс и освобождают винт 6. При этом стержень вместе с прибором сместится на некоторое расстояние вниз относительно втулки. На такое же расстояние сместятся к оси вращения прибора грузы, и прибор установится в уравновешенном состоянии.

Равенство указанных смещений позволяет нанести на невращающемся и устанавливающемся в уравновешенном состоянии стержней деления, проградуированные в расстояниях центров вращающихся грузов от оси вращения.

Если повторять опыт несколько раз при разных угловых скоростях, то наблюдают устанавливающиеся положения грузов на вращающейся штанге 1 и соответственно ноложения стержня 3 относительно втулки 5, которые зависят от величины угловой скорости вращения. Это позволяет на стержне одновременно нанести деления, нроградуированные в единицах угловой скорости вращения системы тел прибора.

Также устанавливают, что величины центростремительных сил, действующих на вращающиеся грузы, всегда равны показаниям неподвижного динамометра, на котором прибор подвешен.

Если после вращательного импульса штанги грузы при освобожденном винте 6 не смещаются к оси вращения, что может иметь место нри центростремительных силах, превышающих вес всего прибора, то к крючку 4 можно приложить дополнительную нагрузку и сместить вращающиеся грузы 2 до желаемых расстояний от оси вращения.

Для онределения установившейся нри этом угловой скорости вращения системы умножают угловую скорость, наблюдаемую по шкале стержня 3, на корень квадратный из частного от деления вторых показаний неподвижного динанометра на первые его показания.

Если угловая скорость врашения системы тел прибора незначительна и центростремительные силы, действующие на вращающиеся грузы, меньше веса прибора, то стержень поддерживают на соответствующей высоте относительно втулки в закрепленном состоянии. Для оиределення этой незначительной угловой скорости вращения систе.мы умножают наблюдаемую по шкале стержня угловую скорость на корень квадратный из частного от деления наблюдаемых показаний неподвижного динамометра на вес подвилсной части прибора, нри которой шкала угловых скоростей проградуирована.

Опытную проверку законов врашательного движення с помощью данного прибора осуществляют, проверяя справедливость формулы путем замены ее буквенных выражений одновременно наблюдаемымн величинами центростремительной силы, угловой скорости врашения, массы вращающихся грузов и их расстояния до оси вращения, выполняя эту проверку при трех-четырех разиых условиях вращения грузов.

Опытную проверку законов вращательного движения также осуществляют путем наблюдения непосредственной зависимости величины центростремительной силы отдельно от массы вращающихся грузов, отдельно от угловой скорости их вращения и отдельно от расстояния центров вращающихся грузов до оси их вращения но показаниям, фиксируемым на стержие 5 и на шкале неподвижного динамометра.

Для оиытной проверки закона сохранения суммарного вращательного момента свободно вращающейся системы тел штанге 1 с грузами сообщают вращательный импульс, и по установившимся показаниям на шкале угловых скоростей и шкале расстояний вращающихся грузов до оси вращения, а также по величине массы этих грузов определяют суммарный вращательный момент системы. Вручную смещают стержень 3 и весь прибор на некоторое расстояние но вертикали и

при новых условиях свободного вращения той

же системы тел снова вычисляют суммарный

вращательный момент системы.

Выполнив указанные вычисления после

двух-трех смещений нрибора в процессе его вращения на разные расстояния по вертикали и сопоставляя результаты вычислений, убеждаются в полной справедливости иллюстрируемого закона.

При нереходе системы свободно вращающихся тел из одного состояния в другое суммарный вращательный момент системы остается неизмениым, в то время как ее кинетическая энергия меняется. Угловая скорость и кинетическая энергия свободно вращающейся системы тел обратно нропорцнональны моменту инерции системы. Изменение кинетической энергии свободно вращающейся системы связано с соответствующим количественным изменением ее потенциальной энергии, с совершением механической работы.

Указанные закономерности могут иллюстрироваться данным прибором следующим образом.

Штанге 1 с грузами, расположенными на ее концах, сообщают вращательный импульс, и по величине массы грузов, по их расстоянию от оси вращення и наблюдаемой угловой скорости определяют кинетическую энергию системы. На крючок 4 нодвешивают дополнительный груз и предоставляют возможность всему прибору под действием общей силы притяжения к Земле сместиться вниз по оси стержня 3.

Прн новых условиях свободного вращения той же системы тел снова вычисляют кинетическую энергию системы. По общему весу нрибора вместе с донолнительным грузом и величине его смешения под действием земного

работу. Затем сопоставляют полученные величины и наг.тядно убеждаются в том, что совершаемая работа при переходе системы свободно вращающихся тел из одного состояния в другое (изменение потенциальной энергии системы) численно равно изменению ее кинетической энергии, что сумма всех видов энергии системы при любых ее изменениях - величина постоянная.

Предмет изобретения

Учебный прибор но динамике свободно вращающейся системы тел, отличающийся тем.

что с целью опытной проверки законов вращательного движення и сохранения суммарного вращательного момента, он выполнен в виде щтанги со свободно надетыми на ее концах сменными грузами, укрепленной с возможностью поворота на перпендикулярном к ней градуированном стержне, скользящем во втулке, устанавливаемой неподвижно на шта1иве, при этом грузы штанги с помощью хомутиков и гибких лепт, перекинутых через ролики, соединены с поворотным крючком для подвешивания прибора к неподвижному динамометру, а стержень имеет на конце крючок для подвешивания гирь.

v

5 6

,4

Риг.1