УЧЕБНЫЙ ПРИБОР ПО ФИЗИКЕ
PHYSICS TEACHING DEVICE

Заявляемое техническое решение относится к учебным приборам по физике и теоретической механике и позволяет наглядно демонстрировать направление и изменение величины угловой скорости и углового ускорения при вращении твердого тела.
01
Известен «Прибор для демонстрации законов вращательного движения» по авторскому свидетельству SU 160045 от 14.01.1964 г., кл. 42п, 11, МПК G09b - [1], содержащий вращаемый полый вал, присоединяемый к динамометру сменный груз (вращаемое тело), укрепленное на конце вала приспособление для удержания груза и приспособление для соединения груза с динамометром, при этом приспособление для удержания груза выполнено в виде лотка, имеющего на основании хвостовик для возможности крепления прибора к источнику вращательного движения, например к центробежной машине, груз имеет вид цилиндрических катков, свободно укладываемых на лоток, а приспособление для соединения груза с динамометром выполнено в виде помещенного внутри вала и вращающегося вместе с ним стержня, верхний конец которого соединен с динамометром, а нижний имеет гибкую нить для соединения его с грузом.
Недостатком устройства [1] является невозможность его применения для демонстрации направления и изменения величины угловой скорости и углового ускорения при вращении твердого тела.
4
Прототипом предлагаемого изобретения является «Учебный прибор по физике» по авторскому свидетельству SU 1234868 от 30.05.1986 г., МПКG09B 23/08 - [2], содержащий штатив с двумя подшипниковыми узлами и установленным в них с возможностью горизонтального вращения (с вертикальной осью вращения) цилиндра с полым диском, внутри которого расположены датчик углового ускорения в виде установленных перпендикулярно радиусу диска параллельных направляющих и установленным с возможностью скольжения между ними грузом, расположенным между закрепленными эластичными емкостями, заполненными окрашенной одним цветом жидкостью и соединенными трубками с индикаторными прозрачными трубками, расположенными в торцах цилиндра вблизи оси вращении соответственно вверх и вниз, а также датчик угловой скорости в виде симметричных двух радиальных перегородок и двух ловушек для установленных с возможностью скольжения между перегородками и ловушками подпружиненных от цилиндра грузов, между перегородками и ловушками у боковой стенки полого диска закреплены две эластичные емкости, заполненные окрашенной другим цветом жидкостью и соединенные трубками с индикаторными прозрачными трубками, расположенными в торцах цилиндра вблизи оси вращении соответственно вверх и вниз, причем все индикаторные прозрачные трубки проградуированы.
Недостатком прототипа [2] является его низкая надежность, так как при быстром вращении полого диска выходящие вверх и вниз из цилиндра тонкие прозрачные индикаторные трубки под действием центробежной силы отклоняются от оси вращения и могут отломиться. Кроме того, при вращении градуировка двух рядом расположенных прозрачных индикаторных трубок «смывается» - визуально складывается, а на расстоянии жидкость в них плохо видна.
Указанные недостатки ставят задачу повышения надежности прибора и расширения демонстрационных возможностей.
Указанная задача достигается тем, что в учебном приборе по физике, содержащем штатив с двумя подшипниковыми узлами и установленным в них с возможностью горизонтального вращения (с вертикальной осью вращения) цилиндром с полым диском, внутри которого расположен датчик углового ускорения в виде закрепленных перпендикулярно радиусу диска параллельных направляющих и установленного с возможностью скольжения между ними груза, расположенного между закрепленными эластичными емкостями, заполненными окрашенной одним цветом жидкостью и соединенными трубками с индикаторными прозрачными трубками, расположенными в торцах цилиндра вблизи оси вращении соответственно вверх и вниз, а также датчик угловой скорости в виде симметричных двух радиальных перегородок и двух перегородок с ловушками для установленных с возможностью скольжения между перегородками подпружиненных от цилиндра грузов, между перегородками и перегородками с ловушками у боковой стенки полого диска закреплены две эластичные емкости, заполненные окрашенной другим цветом жидкостью и соединенные трубками с индикаторными прозрачными трубками, расположенными в торцах цилиндра вблизи оси вращении соответственно вверх и вниз, в центре цилиндра закреплен снабженный автономным источником питания с включателем электрический источник света подсветки индикаторных прозрачных трубок, которые внутри цилиндра выполнены Г-образными, а с внешней стороны торцов цилиндра установлены в закрепленные в цилиндре прозрачные трубы, на поверхности которых выполнена общая градуировка.
Введение признака «в центре цилиндра закреплен снабженный автономным питанием с включателем электрический источник света подсветки индикаторных прозрачных трубок» необходимо для того, чтобы повысить наглядность, увеличить расстояние наблюдения и тем самим обеспечить демонстрацию изменения величины угловой скорости и углового ускорения при вращении твердого тела перед аудиторией.
Введение признака «индикаторные прозрачные трубки внутри цилиндра выполнены Г-образными» необходимо для того, чтобы подводящие трубки с окрашенной жидкостью не мешали свету от электрического источника (электрической лампочки, светодиода и т.д.) проходить в материал индикаторных прозрачных трубок.
Введение признака «с внешней стороны торцов цилиндра индикаторные прозрачные трубки установлены в закрепленные в цилиндре прозрачные трубы» необходимо для того, чтобы не допустить при быстром вращении полого диска под действием центробежной силы изгиба и разрушения выходящих вверх и вниз из цилиндра тонких прозрачных индикаторных трубок.
Введение признака «на поверхности прозрачных труб выполнена общая градуировка» необходимо для того, чтобы не допустить «смывания» - визуального наложения градуировки находящихся рядом двух индикаторных трубок при вращении диска.
На фиг.1 изображен учебный прибор по физике.
На фиг.2 - разрез А-А на фиг.1.
Учебный прибор по физике содержит штатив 1 с двумя подшипниковыми узлами 2 и установленным в них с возможностью горизонтального вращения (с вертикальной осью вращения) цилиндра 3 с полым диском 4, внутри которого расположен датчик углового ускорения в виде закрепленных перпендикулярно радиусу диска параллельных направляющих 5 с установленным с возможностью скольжения между ними грузом 6, расположенным между закрепленными эластичными емкостями 7 и 8, заполненными окрашенной жидкостью одного цвета и соединенными трубками 9 и 10 с индикаторными прозрачными трубками 11 и 12, расположенными в торцах цилиндра вблизи оси вращении соответственно вверх и вниз. Внутри диска 4 также расположен датчик угловой скорости в виде симметричных двух радиальных перегородок 13 и 14 и двух перегородок 15 и 16 с ловушками для установленных с возможностью скольжения между перегородками подпружиненных от цилиндра грузов 17 и 18, между перегородками и перегородками с ловушками у боковой стенки полого диска закреплены две эластичные емкости 19 и 20, заполненные окрашенной жидкостью другого цвета и соединенные трубками 21 и 22 с индикаторными прозрачными трубками 23 и 24, расположенными в торцах цилиндра вблизи оси вращении соответственно вверх и вниз. Для балансировки внутри полого диска диаметрально противоположно параллельным направляющим 5 закреплен балансировочный груз 25. В центре цилиндра 3 закреплен снабженный автономным источником питания 26 с включателем 27 электрический источник света 28 подсветки индикаторных прозрачных трубок 11, 12, 23 и 24, которые внутри цилиндра выполнены Г образными, а с внешней стороны торцов цилиндра установлены в закрепленные в цилиндре прозрачные трубы 29 и 30, на поверхности которых выполнена общая градуировка. Позиции 26, 27 и 28 на фиг.1 и фиг.2 показаны схематично. В верхней крышке полого диска 4 могут находиться установленные заподлицо с ее внешней поверхностью кнопка включателя (и выключателя) 27 и установочное гнездо для автономного источника питания 26, которым могут быть или электрическая батарейка, или аккумулятор (на фиг.1 и фиг.2 не показаны). При этом каждая индикаторная прозрачная трубка 11, 12, 23 и 24 может быть снабжена своим электрическим источником света, например в виде электрической лампочки или светодиода (светодиодов), что позволит существенно повысить наглядность.
Учебный прибор работает следующим образом.
Первоначально включают электрический включатель 27 и от автономного электрического источника питания загорается источник света 28, свет от которого попадает на прозрачные трубки 11, 12, 23, 24, подсвечивая их с находящейся в них окрашенной жидкостью. Далее находящемуся в подшипниковых узлах 2 штатива 1 цилиндру 3 с полым диском 4 сообщается вращение от внешнего источника (не показан), например, против часовой стрелки, при этом возникает угловое ускорение, и груз 6 начинает перемещаться в направляющих 5, сжимая эластичную емкость 7 и выдавливая окрашенную жидкость по трубке 9 в прозрачную трубку 11, расположенную над цилиндром 3. Этот столбик окрашенной жидкости показывает направление вектора углового ускорения, а высота этого столбика - его величину (модуль).
Одновременно вследствие центробежной силы грузы 17 и 18, растягивая пружины и скользя по диску 4 и перегородкам 15 и 14, расходятся по периферии диска 4. При этом груз 17 попадает в ловушку перегородки 15, груз 18 упирается в эластичную емкость 20. Окрашенная жидкость выдавливается из эластичной емкости 20 через трубку 22 в расположенную выше цилиндра 3 прозрачную трубку 24, которая показывает направление вектора угловой скорости, а высота столбика - его величину (модуль).
При установившемся равномерном вращении диска 4 груз 6 в параллельных направляющих 5 под действием силы упругости емкости 7 возвращается в исходное положение, при этом окрашенная жидкость из прозрачной трубки 11 втягивается в емкость 7. Угловое ускорение в данный момент равно нулю.
При торможении диска 3 внешним устройством вследствие своей инерции груз 6 в параллельных направляющих 5 смещается в сторону эластичной емкости 8, выдавливая из нее окрашенную жидкость через трубку 10 в прозрачную трубку 12, расположенную ниже цилиндра 3, столбик окрашенной жидкости в ней показывает противоположную (в случае ускорения диска 4) угловую скорость.
При вращении по часовой стрелке величина угловой скорости соответствует столбику окрашенной жидкости, выдавливаемому из эластичной емкости 19 грузом 17 в трубку через трубку 21 в прозрачную трубку 23, расположенную ниже цилиндра 3, а груз 18 упирается в ловушку перегородки 16. Вектор угловой скорости демонстрируется аналогично. Для того чтобы грузы 17 и 18 при наличии угловой скорости с изменяющимся угловым ускорением не покидали своего положения (не скользили по диску 4 у периферии диска, т.е. не могли отойти от эластичных емкостей 19, 20 или попасть на них), ловушки перегородок 15 и 16 снабжены двумя радиальными выступами, служащими фиксаторами этих грузов. Система эластичных емкостей 19 и 20, трубок 21, 22 и прозрачных трубок 23, 24 герметична и открыта только с концов трубок, расположенных вне цилиндра 3, чтобы исключить биение.
При сильном вращении индикаторные прозрачные трубки 11, 23 и 12, 24 под действием центробежной силы прижимаются соответственно к внутренней поверхности к прозрачных труб 29 и 30, а нанесенная на их поверхность градуировка позволит точно увидеть направление и изменение величины угловой скорости и углового ускорения при вращении твердого тела.
Прибор позволяет наблюдать изменения направления и величины вектора углового ускорения при самых различных режимах вращения.
Выполнение устройства с вышеизложенной совокупностью ограничительных и отличительных признаков формулы изобретения является новым для учебных приборов по физике и, следовательно, соответствует критерию «новизна».
Вышеприведенная совокупность признаков неизвестна на данном уровне развития техники и не следует из общеизвестных правил конструирования учебных приборов, что доказывает соответствие критерию «изобретательский уровень».
Конструктивная реализация учебного прибора по физике с указанной выше совокупностью признаков не представляет никаких конструктивно-технических и технологических трудностей, откуда следует соответствие критерию «промышленная применимость».
Источники информации
01
1. Авторское свидетельство SU 160045 от 14.01.1964 г., кл. 42п, 11, МПК G09b, «Прибор для демонстрации законов вращательного движения».
4
2. Авторское свидетельство SU 1234868 от 30.05.1986 г., МПК G09B 23/08, «Учебный прибор по физике» - прототип.