УСТАНОВКА ДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИИ ЯВЛЕНИЙ, ВЫЗВАННЫХ ГАРМОНИЧЕСКОЙ ВЫНУЖДАЮЩЕЙ СИЛОЙ

Заявленное техническое решение относится к установкам для наглядных демонстраций и исследований по физике и может быть использовано для проведения лабораторных работ и опытов по изучению колебательных движений под действием гармонической вынуждающей силы.
Уровень техники
Из существующего уровня техники известно устройство (патент RU 2658788 C1, "Способ и устройство для демонстрации свободных и затухающих колебаний", Кротов С.С, G09B 23/06, 2017.07.17) позволяющее исследовать явление резонанса и наблюдать движение маятников разной длины нити под действием общей вынуждающей силы. Недостатком данного устройства является отсутствие возможности измерить амплитуду колебаний каждого маятника в ансамбле.
Так же из уровня техники известен учебный прибор, который позволяет измерять амплитуду колебаний маятника, и дает возможность исследовать и демонстрировать свободные и затухающие колебания (патент SU 1583961 "Учебный прибор для демонстрации свободных и затухающих колебаний", Беккауер Н.Н, G09B 23/10, 07.08.90). Недостатком данного устройства является то, что оно не позволяет исследовать колебания нескольких маятников под действием общей вынуждающей силы и явление резонанса.
Раскрытие полетной модели
Задача, на решение которой направлено заявленное техническое решение, заключается в создании простой, малогабаритной установки, позволяющей демонстрировать явление резонанса, исследовать колебания математических маятников различной длины нити под действием общей вынуждающей силы, измерять угол отклонения каждого маятника, для последующей обработки полученных данных в учебных заведениях, во время проведения лабораторных работ.
Данная задача решается за счет того, что с помощью шагового двигателя, управляемого микроконтроллером, выполняется поворот вала вокруг своей оси по гармоническому закону. На вал подвешены математические маятники. Колебания точки подвеса маятников создают вынуждающую силу, и маятники приходят в движение. В случае совпадения частоты колебаний вала с собственной частотой отдельного маятника, наблюдается резкое увеличение его амплитуды колебаний, в то время как остальные маятники находятся в установившемся режиме с меньшей амплитудой колебаний, таким образом демонстрируется явление резонанса. Датчики угла служат для измерения углов отклонения маятников от положения равновесия и передают результаты измерений на микроконтроллер.
Результатом, который обеспечивается приведенной совокупностью признаков, является расширение демонстрационных возможностей, удобство и простота установки для проведения лабораторных работ, связанных с механическими колебаниями, что весьма важно для учебных заведений, где в опытах участвуют как преподаватели, так и студенты.
Краткое описание чертежей
Полезная модель поясняется чертежами. Чертежи представлены в объеме, достаточном для понимания полезной модели специалистами, и ни в какой мере не ограничивают объема полезной модели.
На фиг. 1 изображена установка для демонстрации явлений, вызванных гармонической вынуждающей силой.
На фиг. 2 изображен блок управления 1.
Осуществление полезной модели
Как показано на Фиг. 1 установка для демонстрации колебаний, вызванных вынуждающей силой, включает в себя блок управления 1, связанный с валом 2, математические маятники 3, подвешенные на вал 2, раму 4, обеспечивающую устойчивость конструкции, датчики угла 5, измеряющие угол отклонения каждого маятника. На фиг. 2 показано, что внутри блока управления 1 расположен шаговый двигатель 6, который приводит в движение вал 2. Шаговый двигатель соединен электрически с микроконтроллером 7. Датчики угла 5 также соединены с микроконтроллером 7 посредством проводов, проходящих внутри вала 2. Микроконтроллер 7 электрически соединен с модулем приема-передачи 8.
max
max
Устройство работает следующим образом: микроконтроллер 7 управляет шаговым двигателем 6, задавая циклическую частоту ω и амплитуду ϕ колебаний вала, что создает колебания точки подвеса маятников 3 по гармоническому закону ϕ(t)=ϕsin(ωt).
Приведенные таким образом в движение маятники 3 отклоняются. Угол отклонения маятников 3 от положения равновесия регистрируют датчики угла 5. Данные сохраняются в памяти микроконтроллера 7 откуда могут быть переданы в компьютер через модуль приема-передачи 8, для дальнейшей демонстрации полученных результатов.
Достоинством предлагаемой установки является измерение угла отклонения математических маятников от положения равновесия, возможность движения маятников различной длины нити под действием общей гармонической вынуждающей силы и демонстрация явления резонанса, что может использоваться для проведения лабораторных работ при изучении механических колебаний, для построения графиков зависимости угла отклонения маятников с различной длиной нити от времени.