ПРИБОР ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СИЛ С УЧЕТОМ ТРЕНИЯ ПОКОЯ В СОЕДИНЕНИИ "ТОРМОЗНАЯ КОЛОДКА-БАРАБАН"

Полезная модель относится к лабораторному оборудованию и может быть применена в учебных лабораториях по теоретической и прикладной механике технических вузов, техникумов и технических училищ.
Известен прибор для рассмотрения сил с учетом трения покоя с приложенными к нему внешними силами и моментами (Сборник заданий для курсовых работ по теоретической механике: Учебное пособие для технических вузов. - 7-е изд., исправленное. - М.: Интеграл-Пресс, 2001, стр.36, рис.33, вар. 12) начальное положение опор и длины звеньев которого определяются соответствующими размерами a, b, R, 1,4R, α, состоящий из двух соосно расположенных барабанов разных радиусов, радиус большего барабана в одну целую четыре раза больше радиуса меньшего барабана, геометрическая ось барабанов расположена горизонтально и одновременно является геометрической осью неподвижных вращательных шарниров, на барабан меньшего радиуса намотана нить, расположенная слева от него, к концу которой прикреплен блок своим центром, через который перекинута вторая нить, которая своим левым концом жестко прикреплена к станине, а к правому ее концу прикреплен груз Q, ветви второй нити параллельны и расположены вертикально, вес блока в два раза меньше веса двух барабанов, снизу к барабану большего радиуса прижата тормозная колодка, жестко связанная со штоком с правым уклоном, направленным под углом α к горизонтали, шток расположен в двух направляющих станины.
Основной недостаток известного прибора заключается в том, что он имеет постоянные размеры штока (застывшую форму), т.е. постоянные линейные параметры штока и постоянное положение опор, что не позволяет студентам (обучающимся) проводить учебные исследования как теоретические, так и экспериментальные по выявлению зависимости величин реакций связей и сил взаимодействия частей прибора от линейных размеров штока и изменения взаимного расположения опор.
Задача, на решение которой направлена полезная модель, заключается в том, чтобы можно было изменять положение штока, а у опор - изменять их взаимное положение, и обеспечить обучающимся проведение учебных исследований как теоретических, так и экспериментальных, и сравнивать полученные результаты.
Технический результат достигается тем, что прибор для определения сил с учетом трения покоя в соединении «тормозная колодка-барабан», состоящий из двух соосно расположенных барабанов разных радиусов, причем геометрическая ось барабанов расположена горизонтально и одновременно является геометрической осью неподвижных вращательных шарниров, на барабан меньшего радиуса намотана нить, расположенная слева от него, к концу которой прикреплен блок своим центром, через который перекинута вторая нить, которая своим левым концом жестко прикреплена к станине, а к правому ее концу прикреплен груз, ветви второй нити параллельны и расположены вертикально, снизу к барабану большего радиуса прижата тормозная колодка, жестко связанная со штоком, ось симметрии которых расположена с правым уклоном под углом к горизонтали, шток расположен в двух направляющих станины, согласно нашему предложению, снабжен водилом, шарнирно связанным со станиной в шарнирном соединении барабанов со станиной, основной стержень водила расположен параллельно штоку и жестко связан с его направляющими, верхняя часть стержня водила и часть стержня, расположенная между направляющими, выполнены телескопическими, наружные стержни телескопических соединений выполнены с клеммами на концах, направленными вниз по уклону основного стержня водила, нижняя часть основного стержня водила связана клеммой с кареткой с возможностью перемещения ее по круговому направляющему пазу станины, средняя линия которого представляет собой дугу окружности, центр которой совпадает с геометрической осью вращательных шарниров барабанов, и жесткого закрепления ее с помощью резьбовых крепежных элементов к станине.
Такое исполнение прибора позволило изменять положение штока, размеры основного стержня водила и взаимное положение опор и проводить учебные исследования обучающимся по выявлению зависимости величин реакций связей (опор) и сил взаимодействия частей прибора от размеров основного стержня водила и изменения взаимного положения опор.
На фиг. представлена схема предлагаемого прибора.
Прибор устроен следующим образом.
Прибор для исследования сил с учетом трения покоя в соединении «тормозная колодка-барабан» с приложенными к нему внешними силами и моментами, начальное положение опор и длины звеньев которого определяются соответствующими размерами a, b, R, 1,4R, α, состоит из двух соосно расположенных барабанов 1 и 2 разных радиусов. Геометрическая ось барабанов расположена горизонтально и одновременно является геометрической осью неподвижных вращательных шарниров О. На барабан 2 меньшего радиуса намотана нить 3, расположенная слева от него. К концу нити прикреплен блок 4 своим центром, через который перекинута вторая нить 5, которая своим левым концом жестко прикреплена к станине, а к правому ее концу прикреплен груз Q. Ветви второй нити параллельны и расположены вертикально. Вес блока в два раза меньше веса двух барабанов. Снизу к барабану 1 большего радиуса прижата тормозная колодка 6, жестко связанная со штоком 7, ось симметрии которых расположена с правым уклоном под углом α к горизонтали. Шток расположен в двух направляющих А и В станины. Прибор снабжен водилом 8, шарнирно связанным со станиной в шарнирном соединении О барабанов со станиной. Основной стержень 9 водила расположен параллельно штоку и жестко связан с его направляющими А и В. Верхняя часть стержня водила и часть стержня, расположенная между направляющими А и В, выполнены телескопическими. Наружные стержни 10 и 11 телескопических соединений выполнены с клеммами 12 и 13 на концах, направленными вниз по уклону основного стержня водила. Нижняя часть основного стержня водила связана клеммой 14 с кареткой 15 с возможностью перемещения ее по круговому направляющему пазу 16 станины, средняя линия которого представляет собой дугу окружности радиуса r, центр которой совпадает с геометрической осью вращательных шарниров О барабанов, и жесткого закрепления ее с помощью резьбовых крепежных элементов 17 к станине.
Прибор работает следующим образом.
Теоретически в приборе с размерами прототипа необходимо определять минимальное значение внешней силы Р, приложенной к штоку, силы взаимодействия частей прибора и реакции его опор, находящиеся в покое, с учетом сил сцепления (трения покоя) в соединении «тормозная колодка - барабан». Эта задача решается с помощью уравнений равновесия. Согласно рекомендациям, изложенным в указанном выше источнике, в котором описан прототип, сначала составляются уравнения равновесия сил, приложенных к грузу Q. Из этих уравнений определяется реакция нити 5 и нормальная реакция при взаимодействии нити с блоком. Затем составляются уравнения равновесия сил, приложенных к блоку 4, из которых определяется сила натяжения нити 3 и нормальная сила, действующая на барабан 2, а также реакции шарниров О барабана. Для определения минимального значения силы Р и реакций опор А и В штока достаточно рассмотреть равновесие сил, приложенных к штоку.
Поскольку в предложенной полезной модели предусмотрено изменение длины основного стержня водила и взаимного положения опор, то перечисленные величины сил можно определять при измененных размерах стержня 8 и соответствующих размеров взаимного положения опор А и В. Если длины верхней части стержня, и части стержня, расположенной между опорами А и В штока 8, изменять ступенчато последовательно или одновременно, то можно получать и соответствующие значения сил.
По полученным данным можно строить графические зависимости значения сил от изменения размеров основного стержня 8.
Определять соответствующие зависимости можно и экспериментально, снабдив звенья прибора соответствующими датчиками и регистрирующей аппаратурой. Появилась возможность у обучающихся проводить как теоретические, так и экспериментальные исследования и сравнивать их результаты.
Таким образом, задача, поставленная перед полезной моделью, полностью выполнена.