Устройство для демонстрации и исследования колебательного движения Советский патент 1982 года по МПК G09B23/08 

Изобретение относится к учебнолабораторному приборостроению и пред назначено для проведения экспериментов и демонстрации законов механики. Известно устройство для демонстра ции и исследования различных видов колебвтельного движения, содержащее корпус, каретку с переменной массой установленную с возможностью прямолинейного возвратно-поступательного перемещения на газостатических набра ляющих и связанную с регулируемым по частоте механизмом возбуждения колебаний посредством, по крайней мере, двух параллельных пружин, работающих на сжатие и растяжение, зак репленных на одном из торцов каретки и на штоке механизма возбуждения колебаний, Кроме того, устройство содержит индукционный регулируемый демпфер колебаний каретки с последовательно соединенным с ней подвижным сердечником, перемещающимся в электромагнитном поле катушки домпфирования и имеющим сопротивление движению, пропорциональное первой степени скорости, за счет взаимодействия возникающих в нем вихревых токов с электромагнитным полем катушки демпфирования. При этом на каретке установлена пишущая головка, контактирующая с носителем записи, выполненным в виде рулона электрочувствительной бумажной ленты, кинематически связанной с ведущим валиком регулируемого привода и контактирующей с натяжным валиком СО Известное устройство обладает недостаточной степенью наглядности демонстрации колебательных движений в больших аудиториях, так как наибольшая амплитуда колебаний каретки (колеблющейся массы) составляет примерно 20 мм из-за ограниченных возможностей использованных в известном устройстве газостатических направляющих с кареткой, превышающей по длине газостатические направляющие на величину хода каретки, а также способов демпфирования колебаний каретки, записи информации, конструкции и распрложения пружин, связанны с кареткой. Выполнение в известном устройств каретки с длиной, превышающей длину газостатических направляющих на величину хода каретки (двойной амплит ды колебаний каретки), не позволяет увеличить амплитуду колебаний карет ки и соответственно повысить нагляд ность демонстрации колебательных движений, так как при значительном увеличении амплитуды происходит нарушение равновесного состояния каре ки при ее движении по направляющим. Кроме того, длина сердечника дем фера должна быть равна, по крайней мере, двойной амплитуде колебаний каретки, что при консольном креплении его на каретке также приводит к опроки.дыванию каретки, а также к общему увеличению габаритов установки. Известный демпфер не позволя ет также непосредственно судить о наличии сопротивления и относительной его величины, которое создает демпфер при движении каретки. При этом эксплуатационные возможности известного устройства недостаточно высоки, так как оно позволяет иссле довать и демонстировать свободные колебания только с сопротивлением, пропорциональным первой степени ско рости движения каретки, и только с регулируемой частотой вынужденных колебаний каретки. Наличие пружин, работающих как на растяжение, так и на сжатие, так же не обеспечивает надежную работу устройства при больших амплитудах колебаний каретки, так как пружина, работающая на сжатие, неустойчива в продольном направлении и подверже на изгибу при значительном сжатии. В известном устройстве используется рулонный носитель записи, увеличение которого для обеспечения на лядности в больших аудиториях трудно реализуемо и нецелесообразно. Толщина линии на электрочувствительной бумажной ленте примерно рав на толщине линии шариковой ручки, что не позволяет обеспечить хорошую видимость записи на большом расстоянии, и, кроме того, из-за наличия трения между пишущей головкой и носи 84 телем записи колебательные движения воспроизводятся с некоторым искажением. Цель изобретения - повышение наг-. лядности демонстрации колебательных движений в больших аудиториях, точности воспроизведения колебательных движений и расширение эксплуатационных возможностей путем обеспечения демонстрации свободных колебаний не только с сопротивлением, пропорциональным первой степени скорости, но и с постоянным сопротивлением, например, с кулоновым трением. Указанная цель достигается тем, что устройство для демонстрации и исследования колебательного движения, содержащее корпус, каретку с переменной массой, установленную с возможностью прямолинейного возвратно-поступательного перемещения на газостатических направляющих и связанную с регулируемым по частоте механизмом возбуждения колебаний, соединенные с кареткой пружины, одна из которых связана со штоком механизма возбуждения колебаний, регулируемый демпфер колебаний каретки с подвижным органом, имеющим сопротивление движению, пропорциональное первой степени скорости движения, установленную на каретке пищущую головку, ленточный носитель записи, кинематически связанный с ведущим валиком регулируемого привода, снабжено дополнительным регулируемым демпфером колебаний каретки с постоянным сопротивлением движению, подвижными визирами, один из которых установлен на каретке, а другой - на штоке механизма возбуж- . дения колебаний каретки, неподвижный визир, смонтированный на корпусе напротив подвижного визира штока, при этом другая пружина соединена с корпусом и. расположена последовательнр С первой пружиной по отношению к каретке, а каретка выполнена с длиной, меньшей длины направляющих на величину двойной максимальнойамплитуды колебаний каретки. При этом основной регулируемый демпфер колебаний каретки выполнен в виде продольного прозрачного сосуда с демпфирующей .жидкостью, имеющего шкалу с Передвижными, визирами и установленного на газостатических направляющих, а его подвижный орган выполнен в виде, по крайней мере. 59 одного тела вращения, закрепленного на стержне, связанном с кареткой. Кроме того, пишущая головка выпол нена в виде заполненного красящим раствором баллона с пульверизатором, сопло которого сообщается с рабочим зазором каретки, а подвижный орган основного регулируемого демпфера состоит из закрепленой на каретке по воротной штанги и, по крайней мере, трех стержней, установленных на ней с возможностью перемещения, и несущих на концах тела вращения различного диаметра. На фиг. 1 изображено устройство, общий вид; на фиг. 2 - то же, вид сбоку; на фиг. 3 - регулируемый демп фер, общий вид; на фиг. k - регулируемый демпфер и каретка, вид сбоку; на фиг. 5 - дополнительный демпфер с кулоновым трением. Устройство для демонстрации и исследования колебательного движения содержит корпус 1, каретку 2 с переменной массой, выполняющей роль колеблющейся массы и установленной с возможностью прямолинейного возв|эатно-поступательного перемещения на трубчатых газостатических направляющих 3 и связанную с регулируемым по частоте и амплитуде синусным механиз мом k возбуждения колебаний, приводи мым в действие приводом с двигателем 5 посредством соединенной с кареткой 2 и штоком 6 механизма k возбуждения колебаний предварительно растянутой винтовой пружины 7. После довательно с пружиной 7 к противоположному торцу каретки 2 прикреплена предварительно растянутая пружина 8, другой конец которой жестко связан с корпусом 1. В устройстве предусмот рена регулировка амплитуды колебаний штока 6 и регулировка частоты его ко лебаний изменением числа оборотов двигателя 5Кроме того, устройство содержит регулируемый демпфер колебаний каретки 2 с подвижным органом, имеющим сопротивление движению, пропорционал ное первой степени скорости движения Указанный демпфер состоит из продоль ного прозрачного сосуда 9 с демпфирующей жидкостью (глицерином) 10, ус тановленного на газостатических направляющих 3, и подвижного органа, состоящего из закрепленных на стержнях 11 шаров 12 и 13 различного диаметра. Стержни 11 установлены с можностью перемещения вдоль своей оси до упора и погружения шаров 12 или 13 в глицерин либо непосредственно на каретке 2 (в этом случае шарики 12 закреплены на одном из концов стержней 11), либо на установленной на каретке 2 с возможностью поворота на 180° штанге И. Демпфер может иметь один и более стержней 11. В случае, если, например, имеется три стержня 11, то шары 12 и/или 13 с одинаковыми диаметрами размещаются по три в виде двух рядов на концах стержней 11, установленных в поворотной штанге И. На сосуде 9 имеется шкала 15 с передвижными визирами 1б. На штоке 6, каретке 2 и корпусе 1 закреплены соответственно подвижные визири 17, 18 и неподвижный визир 19- Сосуд 9 связан трубопроводом 20 и краном 21 с резервуаром 22, из которого демпфирующая жидкость 10 с помощью сжатого воздуха перекачивается в сосуд 9-Через трубопровод 20 и кран 21 осуществляется также слив демпфирующей жидкости 10 из сосуда 9 в резервуар 22. Устройство, кроме того, снабжено электрической системой световой сигнализации, выполненной в виде закрепленного на корпусе 1 светового табло 23 с двумя сигнальными лампами 2k и 25, включенными последовательно соответственно с герконом 2б, установленным в корпусе 1 с возможностью взаимодействия с магнитом 27, закрепленным на каретке 2 и с герконом 28, установленным с возможностью регулировки его положения в корпусе 1 и с возможностью взаимодействия с магнитом 29, установленным, например, на валу с косым кривошипом механизма k возбуждения колебаний. На каретке 2 установлена бесконтактная пишущая головка, выполненная например, в виде заполненного пишущим раствором (например аммиачной водой) баллона 30 с пульверизатором 31, сопло которого сообщено рабочим зазором 32 каретки 2 посредством трубопровода 33. Устройство имеет носитель записи, выполненный в виде бесконечной подвижной ленты - экрана из белой ткани с покрытием из фенолфталеина по обоим краям которого закреплены металлические перфоленты 35 и Зб установленные с возможностью взаимодействия со звездочками 37 и 38, закрепленными на обоих концах ведущего валика 39 кинематически связан ного посредством червячного редуктора 0 и tic двигателем 42, имеющим регулируемую скорость вращения, Движение экрана 3 может быть непрерывным или шаровым и осуществляется с помощью геркона 3 установленного в корпусе 1 с возможностью взаимодействия с магнитами 44, связанными с ведущим валиком 39- Натяг экрана 3 обеспечивается установленным на подпружиненных рычагах 45 натяжным валиком 46. Устройство снабжено источником сжатого воздуха, например пылесосом, подсоединеным к трубчатым газостатическим направляющим 3, внутрення полость 47 которых сообщена с отверстиями 48, расположенными с одинаковым шагом в верхней части газостатических направляющих 3 на пути переме щения каретки 2. Для реализации свободных колебаний с сопротивлением движению, имеющих постоянное значение, в устройств имеется .дополнительный -регулируемый демпфер с кулоновым трением, выполненный в виде симметрично закрепленной на каретке 2 плоской пружины 49, на концах которой установлены гильзы 50 с вкладышами 51 из- фетра, контактирующими с гaзoctaтичecкими направляющими 3« Дяя изменения силы трения имеется устновленный на каретке 2 винт 52 с коромыслом 53; упи рающимся своими концами в пружину 49 На внутренних стенках сосуда 9 закреплены лопатки 54. Установка позволяет демонстрирова свободное и вынужденное колебания массы (каретки 2) без сопротивления, с сопротивлением, пропорциональным первой степени скорости и с постоянныгч сопротивлением (кулоновым трением). Перед пуском осуществляют наполнение сосуда 9 глицерином 10 до заданного уровня путем его перекачки из резервуара 22 через трубопровод 2 Баллон 30 заполняют пишущим растворо (аммиачной водой). . При демонстрации свободных колебаний без сопротивления шток 6 механизма возбуждения колебаний устанавливается в подложке, когда визиры 17 и 19 противостоят один другому, а шары 12 или 13 находятся вне глицери на 10. Каретку 2 смещают на заданную величину амплитуды ее колебаний относительно равновесного положения, С помощью пульта управления включают источник сжатого воздуха, образующий воздушную подушку между кареткой 3 и направляющими 30 и привод экрана 34, в результате чего каретка 2 совершает свободные колебательные движения, регистрируемз1е на экране 34 с помощью струи аммиачной воды, направленной на экран 34 из пульверизатора 31 с помощью воздуха, поступающего из рабочего зазора 32 через трубопровод 33. Аммиачная вода взаимодействует с фенолфталеином, нанесенным на поверхность экрана 34, образуя соединения яркой малиновой окраски. При этом запись колебаний на экране 34 сохраняется видимой лишь на какое-то время (л 1,5 мин), достаточное для наблюдения, а затем исчезает в результате испарения аммиака. При демонстрации свободных колебаний с сопротивлением вводится в действие либо основной регулируемый демпфер путем погружения шаров 12 или 13 в глицерин 10, либо дополнительный демпфер с кулоновым трением путем прижатия фетровых вкладышей 51 к направляющим 3 с помощью винта 52. В первом случае изменение амплитуды колебаний каретки 2 происходит по закону геометрической прогресии, а во втором - по закону арифметической прогресии, С помощью передвижных визиров 1б и подвижного визира 18 можно наглядно показать относительное изменение амплитуды колебаний каретки 2 и его соответствие расчетным величинам. Для осуществления исследования и демонстрации колебаний каретки 2 с различным коэффициентом затухания шары 12 и 13 различного диаметра погружают в глицерин 10 в различных сочетаниях, перемещая стержни 11 в каретке 2 или в штанге 14 до упора. Изменение ориентации малых 12 и больших 13 шаров осуш.ествляют поворотом штанги 14 на 180®, В случае, когда количество стержней И равно, по крайней мере, трем, обеспечивается изменение коэффициента демпфирования не тол-ько в зависимости от диаметра и количества шаров 12 или 13, но и от расстояния между ними в каждом ряду (в глице99рин 10 погружают либо два смежных шара, либо два крайних) , Изменение величины сопротивления дополнительного демпфера с кулоновым трением осуществляется с помощью винта 52. Гашение волн, возникающих в сосуде 9 при колебательных движениях каретки 2 с шарами 12 или 13, погруженными в глицерин, осуществляется лолатками Б прикрепленными к внутренним стенкам сосуда 9При демонстрации вынужденных колебаний без сопротивления и с сопротивлением каретку 2 устанавливают в рав- 15 новесное положение. С помощью пульт управления приводится в действие ис точник сжатого воздуха, обеспечиваю щий воздушную подушку между кареткой 2 и направляющими 3, а также ме ханизм возбуждения колебаний, в котором предварительно устанавливается заданная амплитуда колебаний штока 6 путем изменения угла косого кривошипа, а его частота колебаний может изменяться от нуля до максимал ного значения, примерно вдвое превышающего частоту собственных колебаний каретки 2. Каретка 2 под воздействием механизма k возбуждения колебаний совер шает вынужденные колебания с различными амплитудами и частотами. Величина амплитуды вынужденных колебаний может регистрироваться с помощью передвижных визиров 16. Величина амплитуд вынужденных колебаний при последовательном из- менении частот механизма возбуждения колебаний 4 могут регистрироваться на экране 34 путем шагового перемещения экрана 34, согласованного с последовательными значениями частот колебаний штока 6. При этом на экране 34 пишущая головка вычерчивает отрезки прямых, равных двойной амплитуде колебаний каретки 2. Концы отрезков определяют резонансную кривую. С помощью электрической системы световой сигнализации со световым табло 23 осуществляют индикацию частоты штока (i механизмом 4 возбуждения колебаний, частоты колебаний каретки 2, в том числе наступление резонанса. В последнем случае лампы 24 и 25 загораются и гаснут одновременно, что обеспечивается предварительным перемещением геркона 28 в поло8жение, соответствующее включению лампы 2k в момент, когда фаза штока 6 опережает фазу каретки 2 на 90 . Установка позволяет определить величину сдвига фаз колебаний каретки 2 и штока 6 при различных частотах колебаний путем определения угла поворот .а геркона 28 до положения, когда лампы 2 и 25 загораются одновременно. Наличие в предлагаемой установке регулируемого демпфера в виде продольного сосуда 9 с глицерином, в который погружены шары 12 и 13, связанные с кареткой 2, и установка его параллельно направляющим 3, т.е. параллельно всему пути перемещения колеблющейся массы, а также последовательная ло отношению к каретке 2 установка с предварительным растяжением пружин 7 и 8, а также выполнение каретки 2 меньшей длины, чем направляющие 3, позволяет по сравнению с известной установкой примерно в 20 раз увеличить амплитуду колебаний каретки 2 и соответственно габариты экрана 34 при сравнительно незначительном увеличении общих габаритов колебательной системы, что обеспечивает -резкое повышение степени наглядности демонстрации колебательных движений в больших аудиториях. Наличие двух регулируемых демпферов колебаний каретки 2 и регулировки механизма возбуждения колебаний по частоте и амплитуде позволяет расширить эксплуатационные возможности установки, оьеспечив демонстрацию и исследование колебаний каретки 2 при различных параметрах колебательной системы (амплитуды и частоты механизма возбуждения колебаний, величины сопротивления движению, зависящей от типа демпфера, участвующего в работе установки). Формула изобретения 1.Устройство для демонстрации и исследования колебательного движения, содер-жащее корпус, каретку с переменной массой, установленную с возможностью прямолинейного возвратнопоступательного перемещения на газостатических направляющих и связанную с регулируемым по частоте механизмом возбуждения колебаний, соединенные с кареткой пружины, одна из которых связана со штоком механизма возбуждения колебаний, регулируемый демпфер колебаний каретки с подвижным органом, имеющим сопротивление движе нию, пропорциональное первой степени скорости движения, установленную на каретке пишущую головку, ленточный носитель загмси, кинематически связанный с ведущим валиком регулируемого привода, отличающеес я тем, что, с целью повышения наг лядности демонстрации в больших ауди ториях, точности воспроизведения колебательного движения и расширения эксплуатационных возможностей, оно имеет дополнительный регулируемый демпфер кoлeбa lй каретки с постоянным сопротивлением движению, подвижные визиры, один из которых установлен на каретке, а другой - на штоке механизма возбуждения колебаний каретки, неподвижный визир, установлен ный на корпусе напротив подвижного визира штока, при этом другая пружина соединена с корпусом и расположен последовательно с первой пружиной по отношению к каретке, а кареТка имеет длину, меньшую длины направляющих на величину двойной максимальной амплитуды колебаний каретки. 2. Устройство по п. 1, о т л ичающееся тем, что основной регулируемый демпфер колебаний каретки содержит прозрачный сосуд с демпфирующей жидкостью, имеющий шкалу с передвижными визирами и установленный на газостатических направляющих, а его подвижный орган состоит из од. ного стержня, связанного с кареткой и, по крайней мере, одного тела вращения, закрепленного на стержне, 3- Устройство по пп. 1 и 2, о тличающееся тем, что пишущая головка выполнена в виде заполненного красящим раствором баллона с пульверизатором, сопло которого сообщается х рабочим зазором каретки, k. Устройство по пп, 1-3, отличающееся тем, что подвижный орган основного регулируемого демпфера состоит из закрепленной на каретке поворотной штанги и, по крайней мере, трех стержней, установленных на ней с возможностью перемещения, и несущих на концах тела вращения различного диаметра. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Прибор для возбуждения свободных и вынужденных колебаний с демпфированием. Проспект английской фирмы Cussns, 1978 (прототип). js:

a.. 2

3 6

Фи&.З

J/

ФиеЛ SI 50 liS ф Ct