УЧЕБНЫЙ ПРИБОР ПО ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ МЕХАНИКЕ

Полезная модель относится к учебным и наглядным пособиям и может быть использована в учебном процессе Вузов.
Известен комбинированный учебный прибор для изучения физического и математического маятников, параметров растяжения и изгиба материалов и определения вязкости жидкости методом Стокса.
Часть этого прибора, предназначенная для изучения колебаний физического и математического маятников, содержит стержень с подвесом и перемещающийся вдоль стержня подвижный груз, причем ось качания подвеса выполнена в виде стальной призмы ребро которой расположено горизонтально (RU 2026572; кл. G09В 23/06,1995).
Существенным недостатком данного устройства является невозможность демонстрации ударных реакций в точке подвеса физического маятника и непосредственного измерения величины радиуса инерции с целью последующего определения момента инерции, поскольку в аналоге момент инерции определяется расчетом по результатам регистрации периода колебаний физического маятника, что требует использования дополнительных технических средств измерения временных интервалов.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является учебный прибор по теоретической механике для демонстрации ударных реакций, возникающих в точке подвеса физического маятника, содержащий основание, установленную на основании вертикальную стойку с кронштейном, на котором подвешен ударный стержень с перемещающимся по нему бойком и закреплен физический маятник с осью его качания, фиксатор для удержания ударного стержня, средство подвеса физического маятника, состоящее из двух демпферов и регистрирующее устройство из двух стрелок, взаимодействующих с осью качания, и шкалы (SU 1392588; кл. G09В 23/06 1988).
Недостатками данного устройства являются: недостаточная наглядность демонстрации ударной реакции и невозможность ее количественной оценки в точке подвеса физического маятника, являющегося силой динамического давления вращающегося тела на ось его качания, поскольку угол расхождения стрелок характеризует величину момента на вилке подвесного устройства от сил деформирования упругих элементов демпфера и дает только качественное представление об изменении величины динамического давления в зависимости от точки удара; невозможность демонстрировать влияние закона распределения массы по длине физического маятника на расстояние от оси качания до центра удара и на значение радиуса инерции и момента инерции физического маятника в связи с отсутствием на его поверхности подвижного груза со стопором.
Целью предполагаемой полезной модели является повышение наглядности демонстрации и обеспечение возможности измерения ударных реакций, возникающих в точке подвеса физического маятника, увеличение точности определения его радиуса инерции, в том числе с учетом закона изменения массы по длине физического маятника.
Для достижения этой цели в известном учебном приборе по теоретической механике для демонстрации ударных реакций, возникающих в точке подвеса физического маятника, содержащем основание, установленную на основании вертикальную стойку с кронштейном, на котором подвешен ударный стержень с перемещающимся по нему бойком и закреплен физический маятник с осью его качания, фиксатором для удержания ударного стержня и физического маятника с демпферами и регистрирующее устройство со стрелками и измерительной шкалой, физический маятник и ударный стержень установлены горизонтально, причем последний совмещен с мерной линейкой и стационарно закреплен на основании, на поверхности физического маятника предусмотрен подвижный груз со стопором для фиксации его положения, ось качания физического маятника жестко соединена с подвижной частью демпфера и стрелкой регистрирующего устройства.
На чертеже изображен учебный прибор, общий вид. На основании 1 с регулируемыми опорами 2 горизонтально закреплен ударный стержень 3 с мерной линейкой 4 и перемещающимся вдоль стержня бойком 5. На основании посредством кронштейна 6 закреплены демпфер и ось качания 7 физического маятника 8, на котором установлен подвижный груз 9 со стопором 10, фиксирующем груз на поверхности физического маятника. Узел регулировки углового положения физического маятника состоит из стойки 11, закрепленного на основании прибора и фиксатора 12. Демпфер гашения ударных реакций содержит упругую связь (пружину) 13, закрепленную в опорных телескопических чашках 14, причем верхняя подвижная чашка жестко соединена с осью качания 7 и совмещена со стрелкой 15, движущейся вдоль шкалы регистрации ударного воздействия 16, а нижняя чашка - с кронштейном 6 крепления демпфера.
Прибор работает следующим образом.
Перед началом эксперимента физический маятник 8 переводят из горизонтального положения в наклонное на угол 45…75 градусов и закрепляют его на кронштейне 11 с помощью фиксатора 12. Произвольно устанавливают боек 5 ударного стержня 3 и отмечают его место установки на мерной линейке 4. Удалением фиксатора 12 высвобождают физический маятник 8, который совершает вращательное движение относительно оси качания 7 и совершает удар по бойку 5. Стрелка 15 регистрации ударного воздействия, жестко соединенная с осью качания 7, вначале перемещается по шкале 16 выше иди ниже исходной отметки на шкале пропорционально динамическому давлению на ось качания маятника и далее совершает затухающее колебательное движение. При этом демонстрируют три случая возникновения ударных реакций, зависящие от места удара физического маятника 8 по бойку 5.
В первом случае, при котором не возникают ударные реакции на оси качания 7, удар производится по бойку 5, расположение которого совпадает с «центром удара» физического маятника 8. В этом случае стрелка 15 регистрации ударного воздействия будет находиться в состоянии покоя. Расстояние от оси качания 7 до места установки бойка 5 отмечают на мерной линейке 4, оно будет равно радиусу инерции ρ исследуемого физического маятника.
Во втором случае, при нанесении удара левее «центра удара», на оси качания 7 возникают ударные реакции, стрелка 15 с осью качания сместится вниз, сжимая упругий элемент 13 демпфера, а затем будет совершать быстро затухающие колебания.
В третьем случае демонстрацию нанесения удара правее «центра удара» осуществляют аналогично.
С целью исследования влияния закона распределения масс по длине физического маятника на расположение «центра удара» перед началом эксперимента расфиксируют стопор 10 на подвижном грузе 9 и смещают груз к левому или правому концу корпуса физического маятника 8, закрепляют стопором 10 и отмечают его новое положение на мерной линейке и повторяют эксперимент по исследованию ударных реакций на оси вращающегося физического маятника.
2
Величину радиуса инерции ρ, равную расстоянию от оси качания физического маятника до «центра удара», определяют по шкале мерной линейки ударного стержня, а затем вычисляют момент инерции I, зная массу m маятника, по формуле I=mρ
Оценка величины динамического давления на ось качания физического маятника осуществляют снятием отсчета отклонений стрелки на шкале регистрации ударного воздействия, на которой цена деления в единицах силы может быть определена по результатам предварительной тарировки пружины демпфера.
Предлагаемый учебный прибор позволяет повысить наглядность демонстрации, обеспечить возможность измерения ударных реакций, возникающих на оси вращающихся тел, и увеличить точность определения радиуса инерции и момента инерции с учетом закона изменения массы по длине физического маятника.
Ожидается положительный качественный эффект при изучении соответствующих разделов физики и механики, экономический эффект от лучшего усвоения демонстрируемых физических законов.