Устройство для измерения сил сопротивления движению модели колесного транспорта

Устройство для определения сил сопротивления движению модели колесного транспорта
Предлагаемое устройство представляет собой натурную модель, предназначенную для использования в учебном процессе при подготовке специалистов железнодорожного транспорта.
Использование натурных моделей в процессе обучения имеет ряд преимуществ.
1. Визуализация процессов реальной практики.
2. Наглядность и доступность для наблюдения за процессом.
3. Возможность многократного повторения опытов.
4. Возможность изменения параметров, влияющих на процесс.
Известно «устройство для измерения силы трения», представленное в каталоге по физике (PDF) 3В Scientific, на странице 60, за номером UE 1020500 PDF online, производство Германии, Клингенталь (https://www.3bscientific.ru/medialibrary/downloads/3B-Scientific-Physics_RU.pdf).
Устройство позволяет определять силу сопротивления между двумя поверхностями в зависимости от площади, силы, действующей между поверхностями или сочетания материалов. Для облегчения измерения динамического трения подвижная поверхность движется с постоянной скоростью под неподвижным телом, соединенным с динамометром. Дорожку для определения трения можно наклонять в направлении ее движения для изменения силы, действующей между двумя поверхностями.
Недостатком существующего устройства является то, что силу сопротивления между трущимися поверхностями можно определить только при постоянной скорости перемещения их относительно друг друга. Для практических целей важно знать, как изменяется сила сопротивления при переменной скорости.
Особенностью колесного транспорта является то, что сила сопротивления движению состоит из нескольких частей: трения качения колес по рельсам, сопротивление от подъема пути, трения в подшипниках и т.д.
Важно знать, как эта сила сопротивления зависит от скорости движения, изменяющейся со временем, например, при трогании с места.
Для решения этой задачи предназначено предлагаемое устройство, которое состоит из следующих частей:
1
1. Ведущая тележка 1 (рис. 1) на двух колесных парах, которая имеет электропривод 5 и может перемещаться по направляющей 4 с различной регулируемой скоростью. Вес G тележки 1 может изменяться за счет груза 6.
2
2. Ведомая тележка 2 на двух колесных парах; она оснащена тормозом 7 с регулируемой величиной силы торможения. Вес G тележки 2 может изменяться за счет величины груза 8.
3. Ведущая 1 и ведомая 2 тележки соединены между собой пружиной 3 и гасителем колебаний 9.
4. С ведущей тележкой 1 жестко связана линейка 10.
5. Ведомая тележка 2 оснащена указателем 11, который показывает величину деформации пружины 3 и равную относительному перемещению тележки 2 по отношению к тележке 1.
6. Угол α наклона направляющей 4 может изменяться при помощи винта 12 и гайки 13.
7. Перемещение тележек 1 и 2 записывается на видеокамеру, установленную на неподвижной опоре. Затем видео обрабатывается покадрово на компьютере с определением перемещений в каждый момент времени.
Рассмотрим один из возможных режимов движения модели - трогание с места. Он выполняется в следующей последовательности.
1. Подготовка модели к работе.
2. Установка видеокамеры на неподвижную опору.
3. Включение видеокамеры.
4. Включение двигателя 5.
1
21
5. Расшифровка видеозаписи покадрово. Составляется таблица, в которой для каждого момента времени, определяется перемещение ведущей тележки относительно камеры S и показание указателя 11, равное перемещению ведущей тележки относительно ведомой тележки S.
2
6. Вычисляются и заносятся в таблицу перемещения ведомой тележки S, которые состоят из двух частей:
1
где S - перемещение тележки 1;
21
S - перемещение тележки 2 относительно тележки 1.
7. Вычисляются и заносятся в таблицу средние скорости движения ведомой тележки в промежутке времени Δt:
2
2
где ΔS - приращение перемещения S в промежутке времени Δt (рис. 2);
Δt - длительность одного кадра.
1
2
8. Строятся графики зависимости перемещений ведущей и ведомой тележек S(t) и S(t) (рис. 2).
2
9. Строится график изменения скорости движения ведомой тележки V (рис. 3).
c
10. На основании видеосъемки указателя 11 определяем деформацию пружины 3 в каждый момент времени и вычисляем силу упругости пружины F, которая является внешней силой для ведомой тележки и равна силе сопротивления движению ведомой тележки F (с учетом силы инерции ведомой тележки)
где k - жесткость пружины (Н/м).
c
2
11. Строим график изменения силы сопротивления движению ведомой тележки в зависимости от ее скорости движения F(V), (Рис. 4).
При помощи предлагаемого устройства можно измерить силу сопротивления ведомой тележки в различных режимах движения, в том числе
при торможении ведомой тележки с помощью тормоза 7 (рис. 1);
при боксовании за счет увеличения силы сопротивления ведомой тележки путем увеличения груза 8 и угла α наклона направляющей 4.