Устройство для демонстрации и исследования колебательного движения

Союз Советскии

Социалкстмческии

Респубики

О П И С А Н И Е (,)903948

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (6I ) Дополнительное к авт, саид-ву— (22)Заявлено 20.03. 80 (21) 2926783128-12 с присоединением заявки М— (23) Приоритет

Опубликовано 07.02. 82. Бюллетень М 5 .

Дата опубликования описания 07.02. 82 (5l ) М. Кл.

G 09 В 23/08

Государствсииый кокитет

СССР по делам изабретеиий и аткрытий (53) УДК 371.66/

/ 67 (088. 8) С.С.Арутюнов (72) Автор изобретения

Специальное конструкторское бюро Министерства

I высшего и среднего специального обр зования СССР (71) Заявитель (5Й) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИИ И ИССЛЕДОВАНИЯ

КОЛЕБАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ

Изобретение относится к учебнолабораторному приборостроению и предназначено для проведения э кспери ментов и демонстрации законов механики.

Известно устройство для демонстрации и исследования различных видов

S колебательного движения, содержащее корпус, каретку с переменной массой, установленную с воэможностью прямолинейного возвратно-поступательного

16. перемещения на газостатических направляющих и связанную с регулируепюм по частоте механизмом возбуждения колебаний посредствои, по крайней мере, двух параллельных пружин, работающих на сжатие и растяжение, закрепленных на одном из торцов каретки и на што ке меха ни з ма возбужде ния колебаний, Кроме того, устройство содержит инду кционный регулируемый демпфер колебаний каретки с последовательно соединенным с ней подвиж ным . сердечни ком, перемещающи мся в электромагнитном поле катушки демпфирования и и меющим сопроти влени е движению, пропорциональное первой степени скорости, за счет вэ аи модействия 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 (1 ) ..

Известное устройство обладает недостаточной степенью наглядности демонстрации колебательных движений в больших аудиториях, так как наи- . большая амплитуда колебаний каретки (колеблющейся массы) составляет примерно 20 мм иэ-за ограниченных возможностей использованных в известном устройстве гаэостатических направляю" щи х с кареткой, превышающей по длине газостатические направляющие на

3 9039ч8 4 величину хода каретки, а также способов демпфирования колебаний ка- ретки, записи информации, конструкции и расположения пружин, свя занных с кареткой, 5

Выполнение в известном устройстве каретки с длиной, превышающей длину газостати ческих направляющих на велии чи ну хода карет ки (д вой ной ампли туды колебаний каретки), не позволяет tp увеличить амплитуду колебаний каретки и соответственно повысить наглядность демонстрации колебательных движений, так как при значительном у вели чении амплитуды прои сходи т нарушение равновесного состояния каретки при ее движении по направляющим.

Кроме того, длина сердечника демпфера должна быть равна, по крайней мере, двойной амплитуде колебаний щ каретки, что при консольном креплении его на каретке также приводит к опрокидыванию каретки, а также к общему увеличению габаритов установки. Известный демпфер не позволя- 2s ет также непосредственно судить о наличии сопротивления и относительной его вели чины, которое создает демпфер при д ви жени и карет ки, При этом эксплуатационные возможности щ известного устройства недостаточно высоки, так как оно позволяет исследовать и демонстировать свободные колебания только с сопротивлением, пропорциональным пеРвой степени скорости движения каретки, и только с регулируемой частотой вынужденных колебаний каретки.

Наличие пружин, работающих как на растяжение, так и на сжатие, так- 4О же не обеспечи вает надежную работу устройства при больших амплитудах колебаний каретки, так как пружина, работающая на сжатие, неустойчива в продольном направлении и подверже45 на изгибу при значительном сжатии.

В известном устройстве используется рулонный носитель запи си, увеличение которого для обеспечения наглядности в больших аудиториях трудно реализуемо и нецелесообразно.

Толщина линии на электрочувствительной бумажной ленте примерно равна 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 носителем записи колебательные движения воспроизводятся с некоторым искажением.

Цель изобретения — повышение наглядности демонстрации колебательных движений в больших аудиториях, точности воспроизведения колебательных движений и расширение эксплуатационных возможностей путем обеспечения демонстрации свободных колебаний не тол ько " сопроти влени ем, 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 возможност ью пря моли ней но го воз вр ат но- 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, ре гулируемый 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 вали ком ре гулируемого привода, снабжено дополнительным регулируемым демпфером колебаний каретки с постоянным сопротивлением движению, подвижными визирами, один из которых устачовлен на каретке, а другой - на штоке механизма возбуждения колебаний каретки, неподвижный визир, смонтированный на корпусе напротив подвижного визира штока, при этом другая пружина соединена с корпусом и расположена последовательно с первой пружиной по отношению к каретке, а каретка выполнена с длиной, меньшей длины направляющих на величину двойной максимальной амплитуды колебаний каретки.

При этом основной регулируемый демпфер колебаний карет ки выполнен в виде продольного прозрачного сосуда с демпфирующей жидкостью, имеющего шкалу с передвижными. визирами и установленного на газостатических напр авляющих, а е го под ви жный ор ган выполнен в виде, по крайней мере, 903948 одного тела вращения, закрепленного на стержне, связанном с кареткой.

Кроме того, пишущая головка выполнена 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 поворотной штанги и, по крайней мере, 10 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 фиr. 3 — регулируемый демпфер, общий вид; на фиг. 4 — 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 ко- 25 леблющейся массы и установленной с возможно ст ью пря мол иней но го воз вратно-поступательного перемещения на т рубчатых гаэост ати че ски х напр а вляющих 3 и связанную с регулируемым по gg частоте и амплитуде синусным механизмом 4 возбуждения колебаний, приводимым в действие приводом с дви гателем 5 посредством соединенной с кареткой 2 и штоком 6 механизма 4 возбуждения колебаний предварител ьно растянутой винтовой пружины 7. Последовательно с пружиной 7 к противоположному торцу каретки 2 прикреплена предварительно растянутая пружина 8, другой конец которой жестко связан с корпусом 1. В устройстве предусмотрена регулировка амплитуды колебаний штока 6 и регулировка частоты его колебаний изменением числа оборотов двигателя 5.

Кроме т ого, у строй ст во содержит регулируемый демпфер колебаний каретки 2 с подвижным органом, имеющим сопротивление движению, пропорциональное первой степени скорости движения.

Указанный демпфер состоит из продоль" ного прозрачного сосуда 9 с демпфирующей жидкостью (глицерином) 10, установленного на газостатических нап55 равляющих 3, и подвижного органа, состоящего иэ закрепленных на стержнях 11 шаров 12 и 13 различного диаметра. Стержни 11 установлены с возможностью перемещения вдоль своей оси до упора и погружения шаров 12 или 13 в глицерин либо непосредственно на каретке 2 (B этом случае шарики 12 закреплены на одном из концов стержней 11), либо на установленной на каретке 2 с возможностью поворота на 180 штанге 14. Демпфер может иметь один и более стержней 11. В случае, если, например, имеется три стержня 11, то шары 12 и/или 13 с одинаковым диаметрами размещаются по три в виде двух рядов на концах стержней 11, установленных в поворотной штанге 14.

На сосуде 9 имеется шкала 15 с передвижными визирами 16. 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, иэ 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.

Устрой ст во, кроме того, снабжено электрической системой световой сигна. лизации, выполненной в виде закрепленного на корпусе 1 светового табло 23 с двумя сигнальными лампами 24 и 25, включенными последовательно соответственно с герконом 26, 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 4 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 34 — из белой ткани с покрытием из фенолфталеина по обоим краям которого закреплены металлические перфоленты 35 и 36, установленные с возможностью взаимодействия со звездочками 37 и 38, 90 3948 закрепленными на обоих концах ведущего валика 39, кинематически связанного посредством червячного редуктора 40 и 41 с двигателем 42, имеющим регулируемую скорость вращения. Движение экрана 34 может быть непрерывным или шаговым и осуществляется с помощью геркона 43, установленного в корпусе 1 с возможностью взаимодействия с магнитами 44, связанными io с ведущим валиком 39. Натяг экрана 34 обеспечивается установленным на подпружиненных рычагах 45 натяжным валиком 46.

Устройство снабжено источником сжатого воздуха, например пылесосом, подсоединеным к трубчатым газостатическим направляющим З„внутрення полость 47 которых сообщена с отверстиями 48, расположенными с одинаковымм ш а гом в верхней части газост атических направляющих 3 на пути перемещения каретки 2.

Для реализации свободных колебаний с сопротивлением движению, имеющих постоянное значение, в устройстве имеется дополни тел ьный ре гули руемый демпфер с кулоновым трением, выпол не нный в виде симметрично закрепленной на каретке 2 плоской пружины 49, на концах которой установлены гильзы 50 с вкладышами 51 из фетра, контактирующими с газостати чески ми направляющими 3. Для изменения силы трения имеется устновленный на карет ке 2 винт 52 с коромы слом 5 3, упирающимся своими концами в пружину 49.

На внутренних стенках сосуда 9 закреплены лопатки 54.

Уст а нов ка поз воля ет демон стри роват ь40 свободное и вынужденное колебания массы (каретки 2) без сопроти вления, с;.опротивлением, пропорциональным первой степени скорости и с постоянным сопротивлением (кулоновым тре45 нием) . Перед пуском осуществляют напол не ни е сосуда .9 глиц ери ном 10 до заданного уровня путем его перекачки из резервуара 22 через трубопровод 20.

Баллон 30 заполняют пишущим раствором (амми а чной водой ) .

При демонстрации свободных колебаний Ge;-; сопротивления шток б меха- . низма возбуждения колебаний устанавливается в подложке, когда визиры 1 и 19 противостоят один другому, а шары !2 или 13 находятся вне глиц ерина 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, регистрируемые 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 (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 ТО, либо дополнительный демпфер с кулоновым трением путем прижатия фетровых вкладышей 51 к направляющим 3 с помощью винта 52.

В первом случае изменение амплитуI ды колебаний карет ки 2 происходи т по закону геометрической прогресии, а во втором - no закону арифметической прогресии. С помощью передвижных визиров 16 и подвижного визира 18 можO но наглядно показать относительное изменение амплитуды колебаний каретки 2 и его соответствие расчетным величинам.

Дпя 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 е каретке 2 или в штанге 14 до упора. Изменение ориентации малых 12 и больших 13 шаров осушествляют поворотом штанги 14 на 180 . о

8 случае, когда количество стержней 11 равно, по крайней мере, трем, обеспечивается изменение коэффициента демпфирования не только в зависимости от диаметра и количества шаров 12 или 13, но и от расстояния между ними в каждом ряду (в глице903948

45 рин 10 погружают либо два смежных шара, либо два крайних) .

Изменение вели чины сопроти влени я 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 ло- 0 патками 54, при крепленными к внутренним стенкам сосуда 9.

При демонстрации вынужденных колебаний без сопротивления и с сопротивлением каретку 2 устанавливают в рав- 15 новесное положение. С помощью пульта управления приводится в действие источни к сжатого воздуха, обеспечи вающий воздушную подушку между кареткой 2 и направляющими 3, а также ме- го ханизм 4 возбуждения колебаний, в. котором предварительно устанавливается заданная амплитуда колебаний штока 6 путем изменения угла косого кривошипа, а его частота колебаний zs может изменяться от нуля до максимального значения, примерно вдвое превышающего частоту собственных колебаний каретки 2.

Каретка 2 под воздействием меха- щ ниэма 4 возбуждения колебаний совершает 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 механи зма возбужде ни я колебаний 4 могут ре ги ст ри40 роватъся 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 двой ной амплитуде колебаний карет ки 2.

Концы отрезков определяют резонансную кривую.

С помощью электрической системы световой си гнализации со световым табло 23 осуществляют индикацию частоти штока 6 механизмом 4 возбуждения колебаний, частоты колебаний каретки 2, в том числе наступление резонанса. В последнем спучае лампы 24 и 25 загораются и гаснут одновременно, что обеспечивается предварительным перемещением геркона 28 в положение, соответствующее включению лампы 24 в момент, когда фаза штока 6 опережает фазу каретки 2 на 90 о

Установка позволяет определить величину сдвига фаз колебаний каретки 2 и штока 6 при различных частот ах колебани и путе м определени я угл а поворот.а гер кон а 2 8 до пол ожени я, когда лампы 24 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. параллел ьно всему пути перемещения колеблющейся массы, а также последовательная ло отношению к каретке 2 установка с предварительным растяжением пружин 7 и 8, а также выполнение карет ки 2 мен ьшей длины, чем направляющие 3, позволяет по сравнению с известной установкой примерно в 20 раз у вели чит ь 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, обеспечив 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, содержащее 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

9039 связана со штоком механизма возбуждения колебаний, регулируемый демпфер колебаний каретки с подвижным органом, имеющим сопротивление движению, пропорциональное первой степени скорости движения, установленную на каретке пишущую головку, ленточный носитель записи, кинематически связанный с ведущим валиком регулируемого привода, о т л и ч а юще е- >0 с я тем, что, с целью повышения наглядности демонстрации в больших аудиториях, точности воспроизведения колебательного движения и расширения эксплуатационных возможностей, оно имеет дополнительный регулируенюй демпфер колебаний каретки с постоянным сопротивлением движению, подвижные визиры, один из которых установлен на каретке, а другой - на штоке механизма возбуждения колебаний каретки, неподвижный визир, установленный на корпусе напротив подвижного визира штока, при этом другая пружина соединена с корпусом и расположена 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 и. 1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что основной

48 12 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 тл и ч а ю щ е е с я тем, что пишущая головка выполнена в виде заполненного красящим раствором баллона с пульверизатором, сопло которого сообщается с рабочим зазором каретки.

4. Устройство по пп. 1-3, о. т л ич а ю щ е е с я 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) .

9О 3948

Составитель Г. Самби кина

РедактоР Н. КешелЯ ТехРед З.фанта КоРРектоР H.ØâûÀKàâ

Заказ 131/34 Тираж 473 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., А. 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4