ПРИБОР ПО МЕХАНИКЕ

Полезная модель относится к приборам по механике и может быть использована для наглядной демонстрации законов механики, в частности, общих теорем динамики механической системы и для проведения лабораторных работ, например, при изучении темы «Теорема об изменении кинетической энергии механической системы».
Известен учебный прибор по механике [SU 564650 А1, 5 G09B 23/08, 05.07.1977], содержащий размещенную на неподвижном основании модель механической системы. Недостатком этого прибора является то, что он хоть и позволяет демонстрировать одну из общих теорем динамики о движении центра масс механической системы, но не предназначен для иллюстрации основных видов движения твердого тела (поступательного и вращательного).
В качестве прототипа выбран прибор для изучения законов механики [RU 2473974 C1, G09B 23/06 (2006.01), 27.01.2013], в котором частично устранен указанный выше недостаток, так как этот прибор выполнен с возможностью анализа кинематики поступательного движения. Общими существенными признаками известного и заявляемого приборов является то, что они содержат размещенную на неподвижном основании вертикальную стойку с закрепленными на ней направляющими и подвижным элементом. Однако известный прибор позволяет проводить опыты только по определенным законам физики и не охватывает всего аспекта законов в разделе "Механика" и не предназначен для проведения лабораторных работ. Этот недостаток значительно сужает область применения указанного прибора.
В основу полезной модели поставлена задача расширения области применения известного прибора за счет обеспечения возможности дидактического изучения теоремы об изменении кинетической энергии механической системы.
Поставленная задача достигается тем, что подвижные элементы механической системы, представленные в виде груза, шкива и подвижного блока, расположены таким образом, что подвижный блок упруго связан с основанием, шкив закреплен на вертикальной стойке. Груз установлен с возможностью перемещения вдоль направляющих, состоящих из наклонного и горизонтального участков, при этом горизонтальный участок направляющих снабжен упором, датчиками фиксации времени движения и приемным лотком. Причем груз выполнен в виде корпусной детали с двумя взаимно перпендикулярными цилиндрическими каналами, один из которых предназначен для размещения шарика с возможностью перемещения, а другой канал снабжен двухступенчатым отверстием с установленными в нем резьбовой пробкой и подпружиненным стопорящим элементом, контактирующим с шариком. Наклонный участок направляющих выполнен с возможностью изменения угла наклона по отношению к неподвижному основанию.
Предложенное решение обеспечивает расширение области применения за счет возможности изучения теоремы об изменении кинетической энергии механической системы, а также демонстрации поступательного, вращательного и плоскопараллельного видов движения при изучении раздела «Кинематика».
Суть предлагаемой полезной модели поясняется следующими схемами, на которых изображено:
фиг. 1 - общий вид прибора по механике;
фиг. 2 - продольный разрез подвижного элемента (груза) в момент нахождения шарика в одном из промежуточных положений.
Предлагаемый прибор по механике (фиг. 1) для изучения теоремы об изменении кинетической энергии механической системы содержит размещенную на неподвижном основании 1 модель механической системы, состоящую из вертикальной стойки 2 с закрепленными на ней направляющими и кинематически связанными между собой гибкой связью 3 (например, нитью) подвижными элементами. Подвижные элементы механической системы представлены в виде груза 4, шкива 5 и подвижного блока 6. При этом подвижный блок 6 упруго связан пружиной 7 с основанием 1, центр шкива 5 закреплен на вертикальной стойке 2, а груз 4 установлен с возможностью перемещения вдоль направляющих, состоящих из двух участков: наклонного 8 и горизонтального 9. Наклонный участок 8 направляющих закреплен на вертикальной стойке 2 с возможностью скольжения вдоль дополнительного элемента 10 и фиксирования в нем для изменения угла наклона по отношению к неподвижному основанию. Горизонтальный участок 9 направляющих снабжен упором 11, датчиками 12 и 13 фиксации времени движения и приемным лотком 14.
Груз (фиг. 2) выполнен в виде корпусной детали 15 с двумя взаимно перпендикулярными цилиндрическими каналами. В канале 16 установлен с возможностью перемещения вдоль обоих каналов шарик 17. А другой канал 18 снабжен двухступенчатым отверстием 19. В отверстии установлена резьбовая пробка 20 и подпружиненный пружиной 21 стопорящий элемент 22, предназначенный для контактирования с шариком 17.
Наклонный участок 8 направляющих выполнен с возможностью изменения угла наклона по отношению к неподвижному основанию 1.
Для блокировки движения механической системы относительно наклонного участка направляющих предусмотрен удерживающий элемент, например, крюкообразный стержень 23. Для закрепления груза 4 на вертикальной стойке 2 конец крючка выполнен с возможностью помещения в канал 16 груза 4.
Работает прибор по механике следующим образом. В начальный момент времени механическая система установлена в состоянии покоя. Затем груз 4 освобождают от крючка 23 и придают импульс движения. Под действием собственной силы тяжести шарик 17 осуществляет движение вдоль наклонной части направляющих, приводя во вращение шкив 5. Посредством нити 3 подвижный блок 6 начинает плоскопараллельное движение, вызывая деформацию пружины 7. При этом груз 4 достигает упора 11. Вследствие удара размещенный в грузе 4 шарик 17 проходит через упор 22. Сжатие пружины 21 обеспечивает перемещение упора 22 вниз вдоль оси отверстия 19. Шарик выходит из канала 18 и контактирует с датчиком 12, подающим сигнал на включение счетчика времени. После контакта с датчиком 13, выключающим счетчик времени, шарик 17 попадает в приемный лоток 14. Далее шарик 17 помещают в канал 16 груза 4, а сам груз возвращают в исходное фиксированное положение. Прибор готов для следующих опытов.
Предлагаемая полезная модель позволяет демонстрировать законы механики и проводить ряд лабораторных работ. Например, упрощенная схема предоставляет возможность проведения замеров времени движения вдоль горизонтального участка направляющих, имеющего известную длину. Затем, наличие величины времени движения позволяет вычислить конечную скорость груза 4 и аналитически рассчитать деформацию пружины 7, использовав теорему об изменении кинетической энергии механической системы. Наиболее предпочтительным вариантом является использование специальной компьютерной учебной программы при соответствующем подключении датчиков 12 и 13 с последующими машинными расчетами и графическим изображением зависимости кинетической энергии механической системы от ряда изучаемых параметров, которые изменяются в зависимости от угла наклона наклонного участка 8 направляющих.
Данное техническое решение позволяет повысить интерес аудитории к изучению темы «Теорема об изменении кинетической энергии механической системы», расширить функциональные возможности прибора за счет проведения лабораторных работ, в том числе увеличить количество студентов, непосредственно вовлеченных в одновременное выполнение различных учебных заданий.
Источники информации:
1. SU 564650 А1, 5 G09B 23/08, 05.07.1977. Учебный прибор по механике / Бутенин Н.В., Иванов Л.Д., Хрупкий В.И.
2. RU 2473974 C1, G09B 23/06 (2006.01), 27.01.2013. Прибор для изучения законов механики / Поваляев О.А., Цуцких А.Ю.