УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИИ ЗАДАННОЙ ТРАЕКТОРИИ ДВИЖЕНИЯ ТЕЛ

олезная модель относится к области образования, к средствам обучения в качестве технического средства обучения в ВУЗах, колледжах и др. учебных заведениях, где изучается физика и механика.
Известно лабораторное оборудование, включающее в себя штатив с лапкой, дугообразный желоб, шарик. (Лабораторный набор механика №7088EDUSTRONG, электронный ресурс: www/edustrong/ru).
Однако, данное оборудование не позволяет продемонстрировать траекторию движения, описываемую, например, уравнениями Лагранжа 1-го рода, а также показать действие Кориолисовой силы и решать экспериментальные задачи на влияние момента инерции тел на процесс движения.
Задачей является повышение наглядности при упрощении конструкции и расширение демонстрационных возможностей.
Указанная задача достигается тем, что в устройстве для демонстрации заданной траектории движения тел, включающем в себя штатив, желоб, шарик, желоб выполнен гибким и изогнутым в нескольких плоскостях. Желоб может быть выполнен различного сечения или быть выполнен составным. Для демонстрации действия Кориолисовой силы нижняя часть штатива входит в подпятник, над которым расположен вращающийся диск, выполненный заодно со штативом.
На фиг.1 изображен прибор, общий вид. На фиг.2 - варианты исполнения желоба, на фиг.3 - схема демонстрации движения шарика под действием силы Кориолиса.
Устройство состоит из из штатива 1, желоба 2, шарика 3, доски 4 со шкалами линейных 5 и угловых 6 перемещений, диска 7 и подпятника 8 (фиг.1).
Желоб может быть различной формы и сечения (фиг.2): круглой (а) для шарика, прямоугольной (б) для исследования качения цилиндра по заданной траектории. Желоб может быть выполнен составным, например, имеющим два отверстия круглой формы (в) для проведения опытов с несколькими телами одновременно.
1
2
0
B
1
2
1
Устройство работает следующим образом. Для демонстрации движения тел по заданной траектории желобу 2 придается требуемая кривизна по лекалу в соответствии с заданным уравнением траектории f (х, у, z). Кроме того, задается высота h и h. В желоб 2 опускается шарик 3 с начальной скоростью v=0. На выходе из желоба 2 в точке В шарик имеет какую-то скорость v под углом α к оси х, углом β к оси γ и углом γ к оси z. Углы α, β и γ известны по начальным условиям из заданной кривизны желоба 2. Под действием силы тяжести шарик будет перемещаться по кривой ВС, упав на поверхность доски, покрытой листом копировальной бумаги, в точке С шарик оставит на доске след По шкалам 5 и 6 определяют расстояние ВС. Зная высоту h, расстояние BC и углы α, β, γ и φ, определяют скорость в точке В. Зная уравнение траектории, массу шарика, v0 и vB, а также время движения t можно определить движение по желобу.
Для демонстрации Кориолисовой силы задается кривизна желоба 2, приводится во вращение диск 7 вместе с доской 4. В желоб опускается шарик. Проекция скорости на горизонтальной плоскости ОХУ по желобу будет направлена по линии OA (фиг.3). Если диск вращается в направлении со, то после выхода из желоба в точке В проекция траектории движения шарика 2 на плоскость Оху будет представлять кривую АВ. Шарик отклоняется под действием силы Кориолиса в сторону, противоположную вращению и перпендикулярно проекции относительной скорости движения шарика на плоскость Оху.
0
Для демонстрации влияния моментов инерции на движение тел по криволинейным траекториям необходимо использовать составной желоб (фиг.2, в) и шарики одинаковой массы и размера, но из различных материалов, например, один шарик алюминиевый, другой стальной, но пустотелый. При неподвижном штативе 1 два шарика одновременно опускаются в желоб 2 соответственно каждый в свой канал с начальной скоростью v=0. Засекается время движения по желобу в точке В для каждого шарика.
Шарики необходимо выкрасит в одинаковый цвет для того, чтобы по внешнему виду невозможно было определить из какого они материала. Зная разницу времени движения шариков по желобу, определяют отношение моментов инерции шариков.
Применение такого демонстрационного устройства в качестве наглядного пособия на занятиях по физике и теоретической механике будет способствовать лучшему усвоению материала студентами. Преимуществом данного устройства является расширение возможностей демонстрации различных криволинейных движений тел и решения экспериментальных задач.