СТЕРЖЕНЬ ДВУТАВРОВОГО КОНТУРА С РАЗНЫМИ РАЗМЕРАМИ ПОЛОК

Полезная модель относится к лабораторному оборудованию и может быть применена в учебных лабораториях по теоретической и прикладной механике технических вузов, техникумов и технических училищ.
1
2
Известна составная конструкция устройства с двумя шарнирно-подвижными опорами, тремя невесомыми стержнями и скользящим соединением с приложенными к ней внешними силами и моментами и соответствующими размерами l, l (патент RU 124800 U1. МПК G01M 1/12. Опубл. 10.02.2013. Бюл. №4), состоящая из верхней, левой нижней и правой нижней частей, связанных между собой скользящим соединением, при этом верхняя часть составной конструкции состоит из Т-образного стержня, причем левый конец левой горизонтальной части Т-образного стержня связан с первым невесомым стержнем, выполненным горизонтальным, направленным влево и размещенным на соответствующей вертикальной площадке, и с вторым невесомым стержнем, направленным вниз и размещенным на соответствующей горизонтальной площадке, правый конец правой горизонтальной части Т-образного стержня связан с третьим невесомым стержнем, направленным вниз и размещенным на соответствующей горизонтальной площадке, а нижний конец вертикальной части Т-образного стержня имеет горизонтальное скользящее соединение с направляющей скольжения, левая нижняя часть составной конструкции состоит из горизонтального стержня, причем левый конец горизонтального стержня связан с первой шарнирно-подвижной опорой, катки которой расположены на соответствующей вертикальной площадке, а правая нижняя часть составной конструкции также состоит из горизонтального стержня, причем правый конец горизонтального стержня связан с второй шарнирно-подвижной опорой, катки которой расположены на соответствующей вертикальной площадке, правый и левый концы горизонтальных стержней соответственно левой нижней и правой нижней частей составной конструкции введены в направляющую скольжения скользящего соединения, все стержни верхней, левой нижней и правой нижней частей составной конструкции выполнены телескопическими, наружные стержни каждого телескопического соединения выполнены с клеммами на концах, направленными на левой и правой горизонтальных частях Т-образного стержня и на горизонтальном стержне правой нижней части составной конструкции - вправо, на горизонтальном стержне левой нижней части составной конструкции - влево, а на вертикальной части Т-образного стержня - вверх, при этом вертикальная площадка первого невесомого стержня, горизонтальная площадка второго невесомого стержня и горизонтальная площадка третьего невесомого стержня выполнены с возможностью перемещения вдоль соответствующей горизонтальной направляющей и жесткого закрепления, вертикальная площадка первой шарнирно-подвижной опоры и вертикальная площадка второй шарнирно-подвижной опоры выполнены с возможностью перемещения вдоль соответствующей вертикальной направляющей и жесткого закрепления, а вертикальная направляющая первой шарнирно-подвижной опоры и вертикальная направляющая второй шарнирно-подвижной опоры выполнены с возможностью перемещения вдоль соответствующей горизонтальной направляющей и жесткого закрепления.
Известна и другая составная конструкция установки с тремя шарнирно-подвижными опорами и двумя невесомыми стержнями (патент RU 123147 U1. МПК G01M 1/12. Опубл. 20.12.2012. Бюл. №35), состоящая из левой, правой и нижней частей, связанных между собой вращательным шарниром, при этом левая часть составной конструкции сострит из горизонтального стержня, причем левый конец горизонтального стержня связан с первой шарнирно-подвижной опорой, катки которой расположены на соответствующей горизонтальной площадке, правая часть составной конструкции также состоит из горизонтального стержня, причем его правый конец связан с второй шарнирно-подвижной опорой, катки которой расположены на соответствующей горизонтальной площадке, а нижняя часть составной конструкции представляет собой Т-образный стержень, повернутый на 180° в вертикальном направлении, причем середина горизонтальной части Т-образного стержня опирается на третью шарнирно-подвижную опору, катки которой расположены на соответствующей горизонтальной площадке, левый конец горизонтальной левой части Т-образного стержня связан с первым невесомым стержнем, направленным вниз и размещенным на соответствующей горизонтальной площадке, а правый конец горизонтальной правой части Т-образного стержня связан с вторым невесомым стержнем, размещенным на соответствующей вертикальной площадке, все стержни левой, правой и нижней частей составной конструкции выполнены телескопическими, наружные стержни каждого телескопического соединения выполнены с клеммами на концах, направленными на горизонтальных стержнях левой и правой частей составной конструкции, горизонтальной левой части и горизонтальной правой части Т-образного стержня вправо, а на вертикальной части Т-образного стержня - вниз, при этом горизонтальная площадка первого невесомого стержня, горизонтальная площадка третьей шарнирно-подвижной опоры и вертикальная площадка второго невесомого стержня выполнены с возможностью перемещения вдоль соответствующих вертикальных направляющих первого невесомого стержня, третьей шарнирно-подвижной опоры и второго невесомого стержня и жесткого закрепления, а сами указанные вертикальные направляющие выполнены с возможностью перемещения вдоль соответствующих горизонтальных направляющих первого невесомого стержня, третьей шарнирно-подвижной опоры и второго невесомого стержня и жесткого закрепления.
Основной недостаток известных составных конструкций заключается в их сложности и наличии большого количества одинаковых опор. Например, в первом устройстве (патент 124800) находятся три невесомых стержня и две шарнирно-подвижные опоры. Во втором устройстве (патент 123147) содержатся два невесомых стержня и три шарнирно-подвижные опоры. Кроме того, каждая из известных устройств состоит из станины и, например, из верхней, левой нижней и правой нижней частей, связанных между собой шарнирами (первое устройство), из левой, правой и нижней частей (второе устройство), также связанных между собой шарнирами. Таким образом, каждое из известных устройств состоит из 4-х тел. Это ведет к физическому усложнению устройств: возрастает материалоемкость и затраты на их изготовление, так и исследования: экспериментальные (нужно много датчиков и многоканальная измерительная аппаратура), усложняются и теоретические исследования (необходимо составлять большое количество уравнений равновесия тел, входящих в указанные устройства). Теоретические исследования описаны в пособии: Сборник заданий для курсовых работ по теоретической механике: Учебное пособие для технических вузов. - 7-е изд., исправленное. - М.: Интеграл-Пресс, 2001. - (стр.28-34).
Задача, на решение которой направлена полезная модель, заключается в том, чтобы упростить конструкцию, а студентам обеспечить проведение учебных исследований по выявлению зависимости величин реакций типовых связей твердого тела от линейных размеров его участков с наименьшими затратами сил и времени.
Технический результат, заключающийся в упрощении конструкции и упрощении экспериментальных и теоретических исследований реакций типовых связей, достигается тем, что прибор по механике для исследования реакций двух опор твердого тела, выполненный в виде стержневого двутаврового контура, участки которого выполнены телескопическими с клеммами на концах наружных стержней, согласно нашему предложению, стержневой двутавровый контур выполнен из одного тела, у которого размер верхней горизонтальной полки больше - нижней и ее правый конец связан с шарнирно-подвижной опорой, катки которой расположены на горизонтальной площадке, левый конец его нижней горизонтальной полки связан с неподвижным вращательным шарниром, основание которого расположено на горизонтальной площадке, лежащей ниже шарнира, клеммы наружных стержней телескопических соединений направлены на правых горизонтальных участках полок стержня влево, на левых - вправо, на вертикальном - вниз, горизонтальная площадка, являющаяся основанием неподвижного вращательного шарнира, выполнена с возможностью перемещения вдоль вертикальной направляющей, которая выполнена с возможностью перемещения вдоль горизонтальной направляющей станины и жесткого закрепления той и другой в нужном положении.
Такое исполнение прибора по механике позволило значительно упростить известные устройства и обеспечить студентам проведение учебных исследований по выявлению зависимости величин реакций связей (опор) от размеров участков стержней значительно производительнее и с большой экономией сил и времени.
На фигуре представлена схема предложенного прибора по механике.
Прибор по механике для исследования реакций двух опор твердого тела выполнен в виде стержневого двутаврового контура BDКACE. Стержневой двутавровый контур выполнен из одного тела (стержня) с разными размерами полок, у которого размер верхней горизонтальной полки BDK больше - нижней АСЕ и ее правый конец связан с шарнирно-подвижной опорой В, катки которой расположены на горизонтальной площадке. Левый конец его нижней горизонтальной полки АСЕ связан с неподвижным вращательным шарниром А, основание которого расположено на горизонтальной площадке, лежащей ниже шарнира. Все части стержня выполнены телескопическими, наружные стержни каждого телескопического соединения выполнены с клеммами на концах, направленными на правых горизонтальных участках полок BD и СЕ стержня влево, на левых соответственно КD и AC - вправо, на вертикальном CD - вниз. Например, участок BD правой части верхней полки имеет наружный стержень 1 и клемму 2, направленную влево. Горизонтальная площадка, являющаяся основанием неподвижного вращательного шарнира А, выполнена с возможностью перемещения вдоль вертикальной направляющей 3, которая выполнена с возможностью перемещения вдоль горизонтальной направляющей 4 станины и жесткого закрепления той и другой в нужном положении.
Прибор по механике для исследования реакций двух опор твердого тела работает следующим образом.
У известных устройств (по патентам 124800 и 123147) каждый двутавровый контур составлен из трех тел, который имеет пять опор. У предложенного прибора по механике контур состоит из одного тела и двух опор. Налицо значительное упрощение конструкции. Для проведения экспериментальных исследований каждому известному устройству нужно, как минимум, пять датчиков. Предложенному прибору - два. Регистрирующей аппаратуре в первом случае нужно пять каналов, в нашем - два канала. Наблюдается явное превосходство нашего прибора как по объему выполняемых работ, так и по временным затратам. При теоретических исследованиях нашему прибору достаточно трех уравнений равновесия, так как он состоит из одного тела, а известным устройствам - девять уравнений равновесия и еще два дополнительных, т.е. одиннадцать.
kx
ky
У предложенного двутаврового контура BDКACE его участки выполнены также телескопическими с клеммами на концах у наружных стержней. Это позволяет изменять длины участков стержней и закреплять их размеры с помощью клемм. Можно изменять длину любого участка стержня или всех сразу и определять реакции его опор. Изменяя длины участков стержней ступенчато и определяя каждый раз реакции опор, можно получать зависимости реакций опор от размеров стержней. К конструкции приложена плоская произвольная система сил. При решении задачи используют, например, первую форму условий равновесия такой системы сил. Она заключается в следующем: для равновесия плоской произвольной системы сил необходимо и достаточно, чтобы алгебраическая сумма проекций действующих сил на каждую из координатных осей и алгебраическая сумма моментов относительно любого центра, лежащего в той же плоскости, должны быть равны нулю (ΣF=0, ΣF=0, ).
Общая методика решения подобных задач приведена в пособии, представленном выше (стр.8-14). Конструкция позволяет при наличии соответствующих датчиков определять реакции опор и экспериментально и сравнивать результаты теоретических и экспериментальных исследований.
Решение задач на твердые тела с изменяемыми линейными размерами участков стержней внедрено в учебный процесс студентов первого курса Казанского государственного энергетического университета. Студенты уже с первого курса начинают выполнять учебно-исследовательскую работу. Это, несомненно, повышает качество обучения студентов.