ПРИБОР ДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИИ ЗАКОНОВ МЕХАНИКИ

Прибор для демонстрации законов механики
Полезная модель относится к нриборам, для демонстрации законов кинематики и динамики на качественном и количественном уровнях при изучении лекционного курса и проведении лабораторно-практического курса по физике.
Известен прибор для демонстрации законов механики, включающий стойку, снабженную опорами, мерной шкалой и маховиком, грузиками и приводным устройством (так называемая машина Атвуда настольная электрифицированная - см. ТУ 79 РСФСР 56-79).
Педостаток прибора ограниченность диапазона демонстрируемых опытов.
Известен также прибор для демонстрации законов механики, включающий направляющую, снабженную регулируемыми по высоте опорами и барьерами на концах, платформы, размещенные на направляющей с возможностью перемещения вдоль нее, привод перемещения платформ, измерительный комплекс, включающий демонстрационный экран и электросекундомер (см. ТУ 79 РСФСР 479-82).
Недостаток этого решения конструктивная сложность и неудачное решение вопросов передачи движущего импульса платформам и их движения (воздушная струя и воздушная подушка), что исключает возможность размещения на платформах дополнительного оборудования, позволяющего расширить диапазон демонстрируемых опытов.
Задача, на решение которой направлено заявленное решение выражается в расширении диапазона демонстрируемых опытов, при упрошении конструкции прибора.
МКИ О01ВЗ/00 G 01 в 21/00
Технический результат достигаемый при решении поставленной задачи выражается в обеспечении независимости стабильности работы платформ от состава и количества приспособлений размещаемых на них и обеспечении возможности изготовления его демонстрационного комплекса предлагаемого прибора (и большей части измерительного) в условиях производства с простейшей оснаш,енностью оборудованием.
Для решения поставленной задачи прибор для демонстрации законов механики, включающий направляюшую, снабженную регулируемыми по высоте опорами и барьерами на концах, платформы, размещенные на направляющей с возможностью перемещения вдоль нее, привод перемещения платформ, измерительный комплекс, включающий демонстрационный экран и электросекундомер, отличается тем, что направляющая выполнена в виде двух параллельных рельсов, кроме того, число платформ не менее трех, они снабжены катками, причем, одна из платформ выполнена самоходной, при этом первая из несамоходных платформ снабжена съемным зацепом, закрепленным у одного из ее концов и буфером, выполненным в виде пружины и съемно зафиксированным на торце этого же конца платформы, а вторая несамоходная платформа снабжена съемным крюком, установленным с возможностью взаимодействия с зацепом первой платформы, причем все платформы снабжены узлами для фиксации на них приборов измерительного комплекса, который включает в себя хронограф, акселерометры максимального действия, динамометр, предпочтительно дисковый, кроме того, состав комплекта включает, набор грузов-утяжелителей и съемный экран, длина которого соответствует длине самоходной платформы, кроме того, демонстрационный экран, выполнен в виде вертикально размещенной полосы, снабженной опорами, длина которой соответствует рабочей длине направляющей.
Кроме того, катки платформ снабжены ребордами. Кроме того, хронограф выполнен в виде электрического двигателя, предпочтительно малооборотного, с частотой вращения 60 об/мин, на валу которого, перпендикулярно оси вращения, закреплен пишущий элемент, например кисть, при этом хронограф зафиксирован на платформе с возможностью взаимодействия пишущего элемента с поверхностью демонстрационного экрана, размещенного вдоль рельсовых направляющих. Кроме того, электросекундомер снабжен дистанционными выключателями.
Сопоставительный анализ признаков заявленного и известных технических решений свидетельствует о его соответствии критерию новизна.
Признаки отличительной части формулы изобретения решают следующие функциональные задачи:
Признак направляющая выполнена в виде двух параллельных рельсов обеспечивает возможность устойчивой работы платформ при снижении материалоемкости и конструктивной сложности направляющей.
Признак, регламентирующий количество платформ и признак - одна из платформ выполнена самоходной, определяют условия для максимально-возможного диапазона опытов, при минимальном количестве и разнообразии используемых средств.
Признак, регламентирующий наличие катков позволяет использовать принцип передачи движения и опорный принцип самого движения, которые не требуют оснащенности платформ дополнительными приспособлениями.
Признаки первая из несамоходных платформ снабжена съемным зацепом, закрепленным у одного из ее концов и буфером, выполненным в виде пружины и съемно зафиксированном на торце этого же конца платформы, а вторая несамоходная платформа снабжена съемным крюком, установленным с возможностью взаимодействия с зацепом первой
платформы обеспечивают возможность демонстрирования различных видов ударных взаимодействий тел.
Признаки все платформы снабжены узлами для фиксации на них приборов измерительного комплекса и признаки, регламентирующие состав измерительного комплекса обеспечивают возможность вариации оборудования платформ и, тем самым расширения диапазона демонстраций.
Наличие демонстрационного и съемного экранов обеспечивают возможность изучения относительности движения, т.е. расширяет функциональные возможности прибора.
Признаки второго пункта формулы полезной модели исключают сход платформ с рельсовых направляющих.
Признаки третьего пункта формулы полезной модели конкретизируют конструкцию хронографа.
Признаки четвертого пункта формулы полезной модели способствуют повышению точности измерений времени в процессе экспериментов.
На фиг. 1. схематически показан общий состав прибора; на фиг. 2 показана компоновка самоходной платформы для опытов по проверке формулы сложения перемещений и демонстрации относительности движения; на фиг.З показана компоновка самоходной платформы для опытов по демонстрации взаимодействия тел; на фиг. 4 показаны несамоходные платформы, подготовленные для проверки закона сохранения импульса при упругом ударе двух тел.
На чертежах показаны: рельсы 1, регулируемые по высоте опоры 2, барьеры 3 на концах рельсов. Несамоходные платформы 4 и 5 снабженные катками 6, самоходная платформа 7 также снабжена катками 6 и оборудована приводом перемещения 8. Несамоходная платформа 4 снабжена съемным зацепом 9, закрепленным у одного из ее концов и буфером 10, выполненным в виде пружины и съемно зафиксированным на
торце этого же конца платформы, несамоходная платформа 5 снабжена съемным крюком 11, установленным с возможностью взаимодействия с зацепом 9 платформы 4, Причем все платформы снабжены узлами для фиксации на них приборов измерительного комплекса (гнездами с резьбой на чертежах не показаны), который включает в себя хронограф 12, акселерометры 13 максимального действия, динамометр 14, предпочтительно дисковый, кроме того, состав комплекта включает, набор грузов-утяжелителей 15 и съемный экран 16, в виде вертикально фиксируемой пластины, длина которой соответствует длине самоходной платформы 7. На чертежах также показаны демонстрационный экран 17, электросекундомер 18, пишущий элемент 19, дистанционные выключатели 20, разноцветные фишки 21, модели физических тел 22 (бруски, цилиндры и т.п.), пружина 23.
Рельсы 1, барьеры 3 и зацеп 9 выполнены из металлического профиля, например, алюминиевого уголка. Регулируемые по высоте опоры 2 выполнены в виде винтов, размеш,енных в снабженных резьбой гнездах (на чертежах не показаны), скрепленных с рельсами. Платформы 4,5, 7 конструктивно одинаковы, выполнены в виде тележек из металла и отличаются только навешиваемым на них оборудованием. Катки 6 платформ снабжены ребордами (на чертежах не показаны) исключаюидими их сход с рельсов. В качестве привода перемещения 8 использован электродвигатель (например, постоянного тока), запитываемый от выпрямителя (например, типа ВС-24М), через пульт управления (на чертежах не показан), позволяющий за счет регулировки поступающего электротока управлять направлением и скоростью перемещения самоходной платформы 7. Съемный крюк 11 выполнен из стальной упругой полосы и зафиксирован на платформе 5 с возможностью взаимодействия с зацепом 9 платформы 4.
Хронограф 12 выполнен в виде малооборотного электрического двигателя с частотой вращения 60 об/мин (например, типа ДСД 60-П1), на валу которого, перпендикулярно оси вращения, закреплен пишущий элемент 19, например кисть, при этом, хронограф может быть съемно зафиксирован на платформе 7, с возможностью взаимодействия пишущего элемента 19 с поверхностью демонстрационного экрана 17, размещенного вдоль рельсов 1.
Демонстрационный экран 17, выполнен в виде вертикально размещенной полосы, снабженной опорами, длина которой соответствует рабочей длине рельсов 1.
В качестве дистанционных выключателей 20 электросекундомера 18 (например, типа СЭД - 1м) используются микровыключатели, которые съемно, размещают у границ участка. Один из них нормально включен, а другой - нормально выключен. При воздействии на второй микровыключатель 20, секундомер 18 включается, при воздействии на первый - выключается.
Для измерения перемещения физических тел (платформ) предназначена шкалы, фиксируемая на демонстрационном экране 17, цена деления которой 5 см.
По показаниям акселерометров максимального действия 13, определяют величину ускорения при движении, взаимодействии тел. Акселерометры 13 обладают большой точностью. Приборы можно перестроить для измерения мгновенного модуля ускорения, но так как промежутки времени малы, а приборы обладают значительной инертностью, невозможно измерить мгновенное ускорение.
Для измерения силы предназначен типовой дисковой динамометр 14. При измерении силы удара, который длится очень мало, динамометр перестраивают в режим измерения максимальной силы.
При изучении взаимодействия тел целесообразно использовать пружину 23, на концах которой закреплены металлические плоские боковины, просверленные в середине, что позволяет ее зафиксировать в сжатом состоянии капроновой петлей штифтами. При проведении опытов капроновую нить можно пережигать спиралью из нихрома, запитывая ее электрическим током от выпрямителя, смонтированного на пульте управления.
Заявленный прибор для демонстрации законов механики работает следующим образом. Опыт 1. Механическое движение.
На самоходной платформе 7 размещаем синюю и зеленую фишки 21, на рельсах 1 - красную. При включении привода перемещения 8 и движении платформы 7 отмечаем, что синяя фишка находится в движении относительно красной, и находится в покое относительно зеленой, т.е. синяя фишка находится в состоянии покоя относительно самоходной платформы. Опыт 2. Запись движения механического.
Па платформе 7 закрепляем хронограф 12, смачиваем кисти 19 красителем и вдоль рельсов 1 размещаем демонстрационный экран 17, с возможностью взаимодействия кистей 19 с ним. При включении привода перемещения 8 и движении платформы 7 (при включенном хронографе 12) отмечаем, что на демонстрационном экране 17 появляются штрихи, оставленные кистью 19 хронометра. По расстояниям между штрихами можно судить о виде движения (равномерное, неравномерное). Вид движения определяется силой тока в цепи электрического двигателя платформы 7. После записи движения штрихи, оставленные кистью хронометра на экране, для наглядности фиксируют цветными фишками 21. ОпытЗ. Определение модуля скорости движения.
выключен, дальний от нее - нормально включен. При включении нривода перемещения 8 и движении платформы 7 (при включенном хронографе 12) отмечаем, что на демонстрационном экране 17 появляются штрихи, оставленные кистью 19 хронометра. По расстояниям между штрихами можно судить о виде движения (равномерное, неравномерное). Вид движения определяется силой тока в цепи электрического двигателя платформы 7. При воздействии на первый микровыключатель секундомер 18 включается, при воздействии на второй - выключается.
Если хронометр делал отметки на экране ровно через одну секунду, то расстояние между соседними отметками определяет модуль скорости. По формуле скорости равномерного движения: V  S/T определяем значение скорости.
При определении средней скорости движения схема опыта остается такой же, меняется только вид движения.
Диаграмма движения показывает, что движение тележки было неравномерное, т.е. скорость тележки меняется, поэтому для подобного движения по формуле: Vcp  S/T , рассчитываем среднюю скорость на данном участке пути. Опыт 4 . Инерция.
На самоходной платформе 7 размеш,аем модель физического тела 22 (брусок высота которого суш;ественно больше линейных размеров основания). При включении привода перемещения 8 и движении платформы 7 отмечаем, что тело 22 некоторое время сохраняет состояние покоя, а его основание начинает движение, поэтому он падает. При остановке, основание бруска останавливается, а брусок продолжает движение, т.е. падает. При размещении на платформе 7 модели физического тела 22, выполненного в виде цилиндра, со стороны начального участка разгона, размещают тормоз-упор, не позволяющий телу 22 скатиться с платформы в начале движения.
При остановке платформы 7 цилиндр 22 по закону инерции продолжит движение со скоростью платформы 7 до ее остановки, т.к. скатывается с нее. Опыты 5. Взаимодействие тел.
Сжатую пружину 23, связанную капроновой нитью, крепят на торце платформы 4, которую помещают на рельсы 1. Капроновую нить пережигают нихромовой проволокой, на которую подают напряжение от выпрямителя В С 24м.
Отмечаем, что платформа 4 осталась в покое, т.к. отсутствует второе тело, потому что платформа и пружина считается единым телом.
Сжатую пружину 23 помещаем между платформами 4 и 5 и нить пережигаем.
Отмечаем, что платформы 4 и 5 действуют друг на друга - они взаимодействуют, поэтому обе платформы приобретают скорости. Анализ опыта показывает, что до полной остановки тележки прошли одинаковый путь. Опыт 6. Масса тела.
Схема опыта соответствует второй половине предыдущего, отличается только вес платформ, одна из которых пригружена набором грузов-утяжелителей 15. Приведем во взаимодействие (посредством сжатой пружины 23) эти платформы.
Анализ результатов опыта показывает, что тележка, с закрепленным грузом 15, изменила скорость на меньшую величину, т. к. после взаимодействия прошла меньшее расстояние до полной остановки, поэтому масса тележки с грузом больше массы первой тележки.
Опыт 7. Измерение мощности двигателя платформы 7. Па платформе 7 закрепляют динамометр 14, вдоль рельсов 1 размещают демонстрационный экран 17, со шкалой, за крюк динамометра 14 цепляют модель физического тела 22 (брусок), который укладывают на рельсы. У конечных точек
перемещения тела 22, закрепляют микровыключатели 20, выводы которых связывают со входом электросекундомера. С помощью платформы 7 перемещают брусок, одновременно снимают показания приборов.
Мощность определяют по формуле N  А/Т, где А - механическая работа, которую рассчитывают по формуле : А  F- S (где F - сила тяги, показываемая динамометром, S - пройденный путь).
Опыт 8. Проверка формулы сложения перемещений. Относительность движения.
На платформе 7 закрепляют съемный экран 16 (модель системы координат XiOiYi), вдоль рельсов 1 размещают демонстрационный экран 17, котором закрепляют модель неподвижной системы координат ХОУ. При включении привода перемещения 8 и движении платформы 7 отмечаем, что понятия или величины, характеризующие движение, относительны.
К величинам или понятиям относятся: траектория, путь, перемещение, покой, скорость, тело отсчета, координата.
Легко проверить по результатам опыта формулу сложения
перемещений: t   L где t -перемещение тела в неподвижной
системе координат (ХОУ), Si - перемещение тела подвижной системы координат (Xi Oi У ), 82 - перемещение подвижной системы координат (XjOiyi) относительно неподвижной системы координат (ХОУ). Опыт 9. Взаимодействие тел.
Сжатую пружину 23, связанную капроновой нитью, крепят на торце платформы 4, между нею и платформой 5, которые помещают на рельсы 1. Предварительно, на платформах закрепляют акселерометры 13 максимального действия. Капроновую нить пережигают нихромовой проволокой, на которую подают напряжение от выпрямителя ВС 24м.
Повторим подобный опыт, по массу второй тележки увеличим в два раза. Опыт подтверждает, что показания второго акселерометра в 2 раза меньше показания первого, т.е. отношение ускорений в данном опыте:
а, .,uf, от,
21, а отношение масс: , т.е.   -2-1
«2 IЩ а Щ
Отношение модулей ускорений двух взаимодействующих тел равно обратному отношению их масс и не зависит от характера взаимодействия, что свидетельствует из опыта. Опыт 10. Проверка Закона сохранения импульса при ударе двух тел.
Для проведения опытов используем платформы 4 и 5. Платформу 4 снабжают съемным зацепом 9, закрепленным у одного из ее концов и буфером 10, выполненным в виде пружины зафиксированным на торце этого же конца платформы. Платформу 5 снабжают съемным крюком И. При моделировании упругого удара платформы 4 и 5 сталкивают таким образом, чтобы в пружину буфера 10 врезался торец платформы 5 не снабженный съемным крюком 11. Отмечаем, что после упругого удара платформы 4 и 5 разъезжаются на некоторое расстояние
Массы тележек одинаковы, скорости до взаимодействия равны по модулю, тогда Ш Vj  т2 V2 или pi  р2.
Выполняется закон сохранения импульса для упругого удара:
Р1 +   0
При моделировании неупругого удара платформы 4 и 5 сталкивают таким образом, чтобы в пружину буфера 10 врезался торец платформы 5 снабженный съемным крюком 11. Отмечаем, что после неупругого удара платформы 4 и 5 остаются на месте, поскольку крюк 11 не дает разжаться пружине буфера 10, сжатой при ударе платформ.
Анализ результатов опыта показывает, что и для неупругого удара закон сохранения импульса выполняется; т.е. pi + р2  О
описано. В данном описании приводились только те из опытов, которые позволяли продемонстрировать работу узлов устройства.
Автор-заявитель
Марченко A.M.
От имени заявителя - Управления народного образования администрации Приморского края, начальник управления
Межонов К.А.