ПРИБОР ДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИИ СВОЙСТВ УПРУГИХ ВОЛН
DEVICE FOR DEMONSTRATING PROPERTIES OF ELASTIC WAVES

Изобретение относится к демонстрационным приборам, раскрывающим физические свойства упругих волн, и может использоваться в учебном процессе, например, при чтении лекций или в лабораторном практикуме.
Известно устройство для формирования бегущей волны [1], включающее основание с установленными на нем стойками, к которым прикреплен стержень, ориентированный горизонтально, на который с помощью нитей равной длины подвешены шарообразные грузики, расположенные между упругими витками пружины, к части грузиков прикреплены демпфирующие элементы, находящиеся в жидкости.
При механическом возбуждении торца пружины в ней возбуждается продольная бегущая волна, которая наглядно демонстрирует физические процессы, возникающие при распространении упругих продольных волн в твердых средах.
Недостатком данного устройства являются сложность конструкции, а также ограниченные демонстрационные возможности, заключающиеся в невозможности возбуждения в конструкции «грузики-пружины» поперечных волн, жесткое крепление нитей к стержню, не позволяет изменять межвитковый шаг пружин и, в конечном счете, фазовую скорость продольных волн.
Признаки, совпадающие с заявленным объектом: основание, стойки, стержень, ориентированный горизонтально, нити равной длины.
Известен также прибор для демонстрации продольных волн, содержащий основание с установленными на нем стойками, к которым прикреплены два стержня, ориентированные горизонтально и параллельно друг другу; к стержням с помощью нитей равной длины подвешена спиральная пружина [2, 3].
При механическом возбуждении торца пружины по ней распространяется продольная волна, которая наглядно демонстрирует физические процессы, возникающие при распространении упругих продольных волн в твердых средах.
Недостатком данного устройства являются ограниченные демонстрационные возможности, заключающиеся в невозможности возбуждения в пружине поперечных волн по причине бифилярной подвески витков пружины нитями в плоскости, перпендикулярной к оси пружины, создающих только одну степень свободы при перемещении витков пружины, и жесткое крепление нитей к стержням, не позволяющее изменять межвитковый шаг пружины и, в конечном счете, фазовую скорость продольных волн.
Признаки, совпадающие с заявленным объектом: основание, стойки, стержень, ориентированный горизонтально, нити равной длины, спиральная пружина.
Известно также устройство для демонстрации волн в пружине [4], содержащее основание с установленными на нем стойками, к которым прикреплен стержень, ориентированный горизонтально, на стержне расположены втулки, свободно перемещающиеся по стержню, а к втулкам с помощью нитей равной длины подвешена спиральная пружина.
При механическом возбуждении торца пружины по ней может распространяться продольная или поперечная волна, которая наглядно демонстрирует физические процессы, возникающие при распространении упругих продольных и поперечных волн в твердых средах.
Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются ограниченные демонстрационные возможности, обусловленные тем, что в процессе работы известного устройства возникает произвольное и не регулируемое расположение втулок вдоль стержня, не позволяющее демонстрировать, например, зависимость фазовой скорости волны от линейной плотности витков пружины, а также возникает неустойчивая картина волнового движения, особенно при демонстрации продольных стоячих волн.
Признаки, совпадающие с заявленным объектом: основание, стойки, стержень, ориентированный горизонтально, две втулки, нити равной длины, спиральная пружина.
В приборе для демонстрации упругих волн [5], имеющем наибольшее количество совпадающих признаков с заявляемым устройством, предусмотрена возможность равномерного изменения межвиткового расстояния в пружине и, соответственно, фазовой скорости продольных волн. Он содержит основание, на котором установлены стойки с прикрепленным к ним горизонтально ориентированным стрежнем. На стержне расположены втулки, которые могут свободно перемещаться по нему. К втулкам с помощью нитей равной длины подвешена спиральная пружина, также к втулкам средними шарнирами прикреплен шарнирный многозвенный параллелограмм. В этом устройстве равномерный межвитковый шаг задается раствором шарнирного многозвенного параллелограмма, который также позволяет в необходимых пределах изменять межвитковый шаг пружины.
Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются сложность конструкции и трудоемкость изготовления шарнирного многозвенного параллелограмма.
Признаки, совпадающие с заявленным объектом: основание, стойки с прикрепленным к ним горизонтально ориентированным стержнем, нити равной длины и спиральная пружина.
Задачей изобретения является упрощение конструкции прибора, снижение трудоемкости его изготовления.
Технический результат достигается тем, что в известный прибор для демонстрации свойств упругих волн, содержащий основание с установленными на нем стойками, к которым прикреплен стержень, ориентированный горизонтально, две втулки, расположенные на стержне с возможностью перемещения и жесткой фиксации на нем, и нити равной длины, на которых подвешена спиральная пружина, согласно изобретению введена дополнительная пружина, надетая на стержень, расположенная между втулками и имеющая жесткость, большую, чем жесткость спиральной пружины, при этом к виткам дополнительной пружины прикреплены верхние концы нитей равной длины, а стержень в своей нижней части имеет продольный паз.
Это позволяет упростить конструкцию прибора, снизить затраты при его изготовлении при сохранении его демонстрационных возможностей.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 показано устройство прибора для демонстрации свойств упругих волн, а на фиг.2 - один из возможных вариантов сечения стержня с надетой на него дополнительной пружиной.
Прибор (фиг.1) состоит из основания 1 с установленными на нем стойками 2 и 3, к которым прикреплен стержень 4, ориентированный горизонтально и имеющий в своей нижней части продольный паз, на стержне расположены две втулки 5 и 6, свободно перемещающиеся по стержню 4 и имеющие возможность их жесткой фиксации, между втулками 5 и 6 на стержне 4 расположена дополнительная пружина 7, находящаяся в сжатом состоянии, к которой с помощью нитей равной длины 8 подвешена спиральная пружина 9, причем дополнительная пружина 7 имеет жесткость, значительно большую, чем жесткость спиральной пружины 9 (не менее чем в 3 и более раз). Чтобы элементы крепления верхних концов нитей равной длины 8 не препятствовали свободному перемещению витков дополнительной пружины 7 по стержню 4, в его нижней части выполнен продольный паз и выточка, как показано на фиг.2. Такая конструкция позволяет с помощью дополнительной пружины 7 устанавливать заданный равномерный межвитковый шаг спиральной пружины 9 и поддерживать его постоянным в процессе демонстраций.
Прибор работает следующим образом. В исходном состоянии пружина 9 находится в равновесии с межвитковым шагом, который задается длиной дополнительной пружины 7. Для возбуждения поперечной волны с помощью вибратора или руки создают колебания крайних витков пружины 9 в плоскости, перпендикулярной ее оси. Вследствие наличия упругих сил и инерции (см. М.М.Архангельский. Курс физики. Механика, М.: Просвещение, 1965, с.358) поперечные колебания распространяются вдоль пружины 9 с определенной скоростью. Если возбуждающее смещение прекратить, то получаем импульс сдвига, распространяющийся вдоль пружины, а при совершении двух, трех периодов возбуждающих колебаний возникает волновой цуг, соответствующий виду гармонической функции. Создавая непрерывные колебания в течение времени, необходимого для распространения волны до конца пружины 9, наблюдаем непрерывное заполнение поля пружины 9 бегущей волной с определенной постоянной скоростью, а затем образование стоячей волны.
При механическом воздействии на пружину 9 вдоль ее оси получаем в пружине продольную волну, распространяющуюся со скоростью продольной волны. Деформации дополнительной пружины 7 при этом будут пренебрежимо малы и ими в течение проведения эксперимента можно пренебречь.
Опыты с упругими бегущими продольными и поперечными волнами убедительно и наглядно показывают, что величины скорости, например, продольной волны, продольного цуга и продольного импульса имеют одно и то же значение. Далее на опыте наглядно демонстрируется, что скорость волны не зависит от амплитуды и частоты. Изменяя частоту колебаний, наблюдаем обратно пропорциональную связь между частотой и длиной волны. В области упругих деформаций пружины 9 выполняется закон Гука, и ее коэффициент жесткости при создании волнового движения будет оставаться постоянным. Изменение межвиткового шага в пределах габаритов прибора гарантирует постоянство коэффициента жесткости пружины.
Для демонстрации того, что скорость волны зависит от упругих свойств пружины 9 используют пружины 9 с различными жесткостями. Согласно теории упругих волн (см. Крауфорд Ф. Волны. М.: Наука, 1984, с.85) фазовая скорость волны υ зависит не только от коэффициента жесткости К витка пружины, но и от линейной плотности пружины ρ, зависящей от ее массы m и межвиткового шага пружины а по формуле
Таким образом, скорость волны для одной и той же пружины 9 зависит линейно от ее межвиткового шага. Опыты на приборе показали, что такая зависимость справедлива. Демонстрацию этой причинно-следственной связи осуществляют путем изменения расстояния между втулками 5 и 6, и это  приводит, соответственно, к изменению межвиткового шага по всей длине пружины 9. Скорость волны определяют по времени ее распространения по длине пружины или путем измерения длины стоячей волны при известной частоте колебаний.
Таким образом, введение дополнительной пружины 7 позволяет упростить конструкцию прибора, удешевить его стоимость, создавая при этом равномерное изменение межвитковое шага пружины 9.
Практическая реализация прибора не представляет сложностей. Макет данного прибора изготовлен и успешно эксплуатируется при чтении соответствующих разделов учебного курса физики.
Информационные источники
1. Патент JP 59226377 «Progressive wave generator», МПК G09B 23/06, опубл. 29.08.1988.
2. Лекционные демонстрации по физике. / Под ред. В.И.Ивероновой, М.: Наука, 1972, с.206-207.
3. Leon M. Reynolds, «Folding slinky wave demonstrator», The physics teacher, v.16, №9, 1978, p.652-654. USA.
4. John F Spivey, «Versatile mount for slinky wave demonstrator», The physics teacher, v.20, №1, 1982, p.52. USA.
5. Патент RU2421821, МПК G09B 23/06, опубл. 20.06.2011.
6. Патент GB 1445290, «Apparatus vor demonstrating wave motion» МПК G09B 23/06, опубл. 11.08.1976.
7. Патент JP 59204080, «Wave motion experiment apparatus» МПК G09B 23/06, опубл. 19.11.1984.
8. Патент JP 61046972 «Longitudinal wave demonstration apparatus», МПК G09B 23/06, опубл. 7.03.1986.
9. Патент SU 875442 «Учебный прибор для демонстрации бегущей волны» МПК G09B 23/06, опубл. 23.10.1981.
10. Патент SU918965 «Учебный прибор для демонстрации бегущей волны» МПК G09B 23/06, опубл. 7.04.1982.
11. Патент SU 1485290 «Учебный прибор по физике для демонстрации волновых процессов» МПК G09B 23/06, опубл. 30.09.1887.
12. Патент SU 1529273 «Учебный прибор по физике» МПК G09B 23/06, опубл. 15.12.1989.
13. Патент US 3518780 «Longitudinal wave propagation demonstrators», МПК G09B 23/06, опубл. 7.07.1970.
14. Патент US 5975911 «Mechanical oscilloscope» МПК G09B 23/06, опубл.2.11 1999.