УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБУЧЕНИЯ И ИГРЫ
TRAINING AND PLAYING DEVICE

Изобретение относится к устройствам, которые могут быть использованы в качестве наглядного пособия и в качестве игры.
Известны устройства, которые сочетают в себе познавательные, обучающие и развлекательные свойства. В настоящее время такие устройства, допускающие их использование в процессе обучения законам физики и математики в школах и высших учебных заведениях, а также в бытовых условиях, пользуются большим спросом.
Конструктивные особенности устройств определяются их назначением. Так, для преобразования гравитационной энергии массы тела в механическую энергию его поступательного движения используют двухконусное тело и две наклонно расходящиеся плоскости, предназначенные для взаимодействия с двухконусным телом, при этом устройство имеет многозвеньевую конструкцию, выполненную так, что гравитационная энергия тела преобразуется в механическую энергию его поступательного движения (RU 2238593 С2, 2003.07.10). Для демонстрации действия двухкоординатного закона распределения вероятностей устройство содержит расположенную в сосуде с жидкостью мишень, выполненную в виде открытого сосуда меньших размеров, снабженного радиально расположенными перегородками (RU 2108835 С1, 1998.04.20).
Настоящее изобретение направлено на создание устройства, позволяющего демонстрировать динамику движения материальной точки или упругого тела (например, шара) под воздействием внешних сил.
По US 4358276 А, 1982.11.09, известно устройство, которое, как и заявляемое, демонстрирует особенности движения тел под действием внешних сил и содержит средства для демонстрации движения тела при ускорении, столкновении и вибрации. Устройство включает твердую металлическую панель в качестве демонстрационного полотна. Панель покрыта материалом, отражающим траекторию шара, направление движения которого задается внешней силой. В качестве такого материала используют углеводородную бумагу, деформирующуюся под действием катящегося шара. Панель установлена на столе, снабженном механизмом для осуществления вибрации панели, обеспечивающим формирование на деформируемом материале волнообразного или пунктирного следа катящегося шара с периодом, превышающим его длину. При вибрации стола в горизонтальной плоскости след шара имеет волнообразный характер, а при вибрации стола в направлении, перпендикулярном плоскости стола, шар подпрыгивает и его след имеет вид пунктирных линий. Вид следа шара зависит от скорости движения шара, определяемой частотой вибрации стола, что и демонстрирует данное устройство.
Недостатком устройства является то, что в качестве наглядного пособия оно позволяет лишь демонстрировать траекторию движения шара в зависимости от направления приложенной силы. В то же время известно, что в процессе обучения важно использовать такие средства, которые обладают обучающим свойством, определяемым интеллектуальными способностями пользователя. Громоздкость устройства, связанная с использованием механизмов для осуществления вибрации панели, и необходимость постоянной замены углеводородной бумаги ограничивают его применение, не позволяя ввести устройство в арсенал средств, используемых в бытовых условиях.
Техническим результатом, получаемым при использовании заявляемого изобретения, является создание устройства, обладающего широкими возможностями в качестве наглядного пособия при обучении особенностям движения тел под действием внешних сил.
Заявляемое устройство является конструктивно простым и дешевым; оно может быть использовано в бытовых условиях в качестве игры с обучающим, познавательным и развлекательным свойствами.
Технический результат достигается тем, что в устройстве, содержащем шар и панель, последняя выполнена в виде периодического гофра, амплитуда которого не менее чем в 10 раз меньше периода гофра, а шар имеет диаметр, который не менее чем в 10 раз меньше периода гофра.
Гофр поверхности может быть выполнен синусоидальным, трапецеидальным, треугольным или другой более сложной формы.
Устройство может быть снабжено средством, позволяющим вбрасывать шар под различными углами к плоскости панели.
Устройство может быть снабжено средством, позволяющим вбрасывать шар с различными начальными скоростями.
Устройство может быть снабжено средством, позволяющим вбрасывать шар под различными углами к плоскости панели и с различными начальными скоростями.
Панель может быть выполнена с дополнительным гофром, ориентированным под углом к направлению основного гофра.
Панель может иметь отверстия, обеспечивающие свободное прохождение шара сквозь них.
Изобретение поясняется фиг.1, на которой схематично изображен один из возможных вариантов заявляемого устройства, и фиг.2, на которой представлен пример траектории движения шара.
Устройство содержит горизонтально расположенную панель 1, рабочая поверхность которой гофрирована, и шар 2, являющийся частью заявляемого устройства. В представленном варианте панель 1 гофрирована синусоидально в двух направлениях, т.е. панель содержит основной и дополнительный гофр, ориентированный под углом к направлению основного гофра.
В общем случае гофр панели 1 может иметь любой профиль - синусоидальный, трапецеидальный, треугольный (пилообразный) или другой более сложной формы. Основное требование к геометрии гофра заключается в наличии участков, ориентированных под углом к горизонту (плоскости панели).
При использовании устройства в качестве учебного пособия поверхность панели может содержать участки с разными параметрами гофра, отличающимися как геометрическими размерами, так и формой профиля. Такое выполнение позволяет повысить демонстрационные и обучающие возможности устройства.
Панель 1 может быть выполнена в виде чередующихся дорожек, гофр которых отличается геометрическими параметрами. При этом расстояние между дорожками должно быть не менее периода гофра. В частном случае на некоторых дорожках гофр может отсутствовать. Для большинства применений число периодов гофра не превышает 100.
Независимо от формы гофра сформулированный выше технический результат достигается при условии, что амплитуда гофра и диаметр шара 2 не менее чем в 10 раз меньше длины периода гофра.
Ниже приведены диаметры шара 2 и параметры гофра панели 1 для случая синусоидального профиля гофра.
Диаметр шара, см
Период гофра, см
Амплитуда гофра, см
4
200
3
2
100
1
2
30
1
Устройство может содержать средство (не приведено) для вбрасывания шара 2 на панель 1. В качестве такого средства целесообразно применить конструкцию, которая позволяет вбрасывать шар 2 с разными начальными скоростями и под разными углами. При этом средство целесообразно снабдить шкалой, позволяющей регистрировать значения начальной скорости и угла. Такое средство необходимо при использовании устройства в качестве учебного пособия по курсу механики при демонстрации динамики движения упругого тела под воздействием внешних сил. В качестве простейшего варианта такой конструкции может быть использован баллистический пистолет, входящий в комплекты лабораторного оборудования школьных кабинетов физики. Для варьирования начальных параметров траектории шара 2 в более широких пределах конструкция может быть усовершенствована использованием штатива для закрепления баллистического пистолета на заданном расстоянии от панели 1.
При использовании устройства в качестве развлекательного наличие средства для вбрасывания шара 2 на панель 1 не является обязательным. Использование для вбрасывания шара 2 на панель 1 физической силы рук играющего способствует развитию ловкости и глазомера.
При использовании устройства в качестве развлекательного панель 1 может быть также снабжена отверстиями (не приведены), обеспечивающими свободное прохождение шара 2 сквозь них. При попадании или непопадании шара 2 в отверстия играющему могут начисляться очки, на чем может быть построена игровая стратегия.
При другой игровой стратегии панель может быть выполнена без отверстий.
Панель 1 и шар 2 целесообразно выполнить из материалов, коэффициенты упругости которых позволяют при сбрасывании шара 2 на панель 1 без начальной скорости обеспечить не менее трех отскоков шара 2 от панели 1. Это условие реализуется при выполнении деталей устройства, например, из металла, дерева, пластмассы, жесткой резины.
В основе изобретения лежит аналитический анализ задачи о движении шара 2 и его соударениях с гофрированной поверхностью панели 1 при условии слабого сопротивления воздуха и последующее численное моделирование.
Характер движения шара 2 полностью определяется четырьмя параметрами - запасом энергии, радиусом шара, периодом и амплитудой гофра. При определенных соотношениях между этими параметрами шар 2 может совершать скачки на целое число периодов гофра, причем как из одного минимума гофра в другие минимумы, так и с максимума гофра на другие максимумы. Увеличение каждого из четырех параметров (энергии или радиуса шара, периода или амплитуды гофра) при прочих равных условиях увеличивает долю хаотических траекторий, снижая предсказуемость динамики системы.
Учет потерь энергии системы вследствие слабого трения шара 2 о воздух и при соударениях с панелью 1 указывает, что при небольшой относительной величине этих потерь характер движения на некотором интервале времени не претерпевает качественных изменений.
Анализ движения шара 2 для случая, когда гофр панели 1 выполнен в двух направлениях (фиг.1), показывает, что из-за изменения направления отскока шара 2 от панели 1, происходящего при каждом соударении, характерной чертой движения становится его сходство со случайными «блужданиями».
Анализ описанных выше ситуаций и численное моделирование указывают на необходимость выполнения условия: амплитуда гофра и диаметр шара 2 должны быть не менее чем в 10 раз меньше длины периода гофра.
Познавательные, обучающие или развлекательные свойства устройства реализуются путем вбрасывания шара 2 на панель 1.
Шар 2 движется в поле тяжести и испытывает многократные соударения с панелью 1. За счет гофрировки поверхности панели 1 и кручения шара 2 вокруг своей оси угол его отскока от панели 1 отличается от угла падения, поэтому каждый раз после соударения параметры траектории движения шара 2 несколько меняются. При условии, что сопротивление воздуха невелико, траектория движения шара 2 близка к параболической.
Приведенное описание не ограничивает другие возможности выполнения панели и средств вбрасывания шара.