СТЕНД ДЛЯ ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ И ДЕМОНСТРАЦИИ ПРОЦЕССА КОЛЕБАНИЙ ОБЪЕКТА

Полезная модель относится к учебным приборам по физике и теоретической механике и может быть использована в качестве демонстрационного прибора в лабораторном практикуме при изучении физических законов.
Известна учебная установка по физике, в состав которой входят вертикальная стойка, кронштейн, физический маятник, два фотоэлектрических датчика, блок питания и блок индикации /SU №1831716, G09B 23/08, 24.12.1991/.
Недостатком известного технического решения является ограниченный диапазон эксплутационных возможностей вследствие воспроизведения только угловых колебаний физического маятника.
Также известно техническое решение, содержащее установленный на основании физический маятник с закрепленным на его конце постоянным магнитом, электромагнитный клапан с двумя размещенными на одном сердечнике катушками индуктивности, установленными с возможностью магнитного взаимодействия с постоянным магнитом, источник питания, подключенный к выводам электромагнитного клапана, при этом основание прикреплено к подвесу и имеет звуковой или световой индикатор, соединенный с выходом электромагнитного клапана /SU №2063065, G09B 23/06, 08.09.1993/.
Недостатком известного технического решения является ограниченный диапазон эксплутационных возможностей вследствие невозможности комплексного воспроизведения колебаний объекта, определяемых как угловыми колебаний физического маятника, так и линейными колебаниями объекта.
Также известен учебный прибор, используемый в процессе изучения теоретической механики и включающий в себя регистрирующее устройство, фиксаторы, основание, установленную на нем вертикальную стойку с кронштейном, на котором подвешены ударный стержень с перемещающимся по нему бойком и закреплен физической маятник со средством его подвеса /SU №1392588, G09B 23/06, 29.10.1986/.
Недостатком известного технического решения является ограниченный диапазон эксплутационных возможностей, так как демонстрация колебаний может проводиться только при одном виде колебаний, а именно, угловых колебаниях физического маятника.
Также известен учебный стенд, предназначенный для демонстрации различных режимов угловых колебаний маятника и включающий в себя установленную на неподвижном основании стойку, связанный со стойкой с возможностью качания относительно нее стержень, подвижные инерционные массы, торсионы, втулки, фланцы, шкалы отсчета и соответствующие им указатели отсчета /SU №1273976, G09B 23/08, 07.03.1985/.
Недостатком известного учебного стенда является ограниченный диапазон эксплуатационных возможностей вследствие того, что использование конструкции позволяет производить демонстрацию только процесса угловых колебаний маятника, а, следовательно, и связанного с ним объекта.
Задачей полезной модели является расширение диапазона эксплутационных возможностей учебного стенда при воспроизведении и демонстрации процессов колебаний.
Техническим результатом от использования полезной модели является возможность воспроизведения и демонстрации не только угловых колебаний маятника, но и вынужденных колебаний объекта, возникающих под действием сил инерции в процессе угловых колебаний объекта.
Достижение технического результата обеспечивает стенд для воспроизведения и демонстрации процесса колебаний объекта, содержащий основание, установленную на нем стойку с осью вращения, жестко связанную с осью телескопическую штангу с фиксатором ее длины, цилиндрический корпус, связанный посредством переходника с одним концом штанги и выполненный прозрачным, с продольной прорезью и шкалой на его боковой поверхности, установленные в цилиндрическом корпусе с возможностью перемещения вдоль его оси стакан с радиальным отверстием на боковой поверхности и крышкой, предназначенный для размещения в его полости объекта, и упругий элемент с фиксатором его крепления, установленные в стакане источник излучения и подключенный к нему источник тока, установленное на внешней боковой поверхности цилиндрического корпуса с возможностью фиксации и перемещения вдоль него кольцо, выполненное с радиальным отверстием с размещенным в нем фотоприемником, дополнительную стойку с установленными на ней индикатором, дополнительными индикатором и фотоприемником, имеющим возможность перемещения по двум взаимноперпендикулярным осям, одна из которых параллельна плоскости основания, датчик угловых перемещений, установленный на стойке и связанный с осью вращения, жестко связанный одним концом с осью и соосный телескопической штанге держатель с установленным на его другом конце дополнительным источником излучения, блок регистрации информационных сигналов, один из входов которого подключен к выходу датчика угловых перемещений, ключ, дополнительный ключ, связанный с основанием гибкий стержень, видеосистему регистрации процессов колебаний, видеокамера которой установлена на гибком стержне, и блок питания, подключенный к питающим входам датчика угловых перемещений, дополнительного источника излучения, блока регистрации информационных сигналов, основного, дополнительного ключей и видеосистемы регистрации процессов колебаний, при этом один конец упругого элемента связан с переходником, а другой - с фиксатором крепления упругого элемента, жестко связанным с дном стакана, радиальное отверстие стакана и основной фотоприемник расположены напротив прорези цилиндрического корпуса, дополнительные фотоприемник и источник излучения соосны, выходы основного и дополнительного фотоприемников подключены к управляющим входам основного и дополнительного ключей, соответственно, а выходы основного и дополнительного ключей подключены к основному и дополнительному индикаторам, а также к соответствующим входам блока регистрации информационных сигналов.
Достижению технического результата способствует введенный в стенд и подключенный к блоку питания блок измерения временных интервалов, соответствующие входы которого соединены с выходами основного и дополнительного ключей.
На фиг.1 схематически представлен стенд для воспроизведения и демонстрации процесса колебаний объекта.
На фиг.2 - узел А на фиг.1.
На фиг.3 - корпус с прорезью и нанесенной на нем шкалой.
На фиг.4 - вид Б на фиг.2.
Стенд для воспроизведения и демонстрации процесса колебаний объекта содержит основание 1 (фиг.1), установленную на нем стойку 2 с осью 3 вращения, жестко связанную с осью 3 телескопическую штангу 4 с фиксатором 5 ее длины, цилиндрический корпус 6, связанный посредством переходника 7 с одним концом штанги 4 и выполненный прозрачным, с продольной прорезью 8 и шкалой 9 на его боковой поверхности (фиг.3). Также стенд содержит установленные в цилиндрическом корпусе 6 с возможностью перемещения вдоль его оси стакан 10 с радиальным отверстием 11 на боковой поверхности и крышкой 12, предназначенный для размещения в его полости объекта 13, и упругий элемент 14 с фиксатором 15 его крепления, установленные в стакане 10 источник 16 излучения и подключенный к нему источник 17 тока, установленное на внешней боковой поверхности цилиндрического корпуса 6 с возможностью фиксации и перемещения вдоль него кольцо 18, выполненное с радиальным отверстием 19 с размещенным в нем фотоприемником 20 (фиг.2, фиг.4), дополнительную стойку 21 с установленными на ней индикатором 22, дополнительными индикатором 23 и фотоприемником 24, имеющим возможность перемещения по двум взаимноперпендикулярным осям, одна из которых параллельна плоскости основания 1, датчик 25 угловых перемещений, установленный на стойке 2 и связанный с осью 3 вращения. Стенд имеет жестко связанный одним концом с осью 3 и соосный телескопической штанге 4 держатель 26 с установленным на его другом конце дополнительным источником 27 излучения, а также блок 28 регистрации информационных сигналов, один из входов которого подключен к выходу датчика 25 угловых перемещений, ключ 29, дополнительный ключ 30, связанный с основанием 1 гибкий стержень 31, видеосистему 32 регистрации процессов колебаний, видеокамера 33 которой установлена на гибком стержне 31. Блок 34 питания подключен к питающим входам датчика 25 угловых перемещений, дополнительного источника 27 излучения, блока 28 регистрации информационных сигналов, основного 29 и дополнительного 30 ключей и видеосистемы 32 регистрации процессов колебаний. При этом один конец упругого элемента 14 связан с переходником 7, а другой - с фиксатором 15 крепления упругого элемента 14, жестко связанным с дном стакана 10, радиальное отверстие 11 стакана 10 и основной фотоприемник 20 расположены напротив прорези 8 цилиндрического корпуса 6, дополнительные фотоприемник 24 и источник 27 излучения соосны, выходы основного 20 и дополнительного 24 фотоприемников подключены к управляющим входам основного 29 и дополнительного 30 ключей, соответственно, а выходы основного 29 и дополнительного 30 ключей подключены к основному 22 и дополнительному 23 индикаторам, а также к соответствующим входам блока 28 регистрации информационных сигналов. Кольцо 18 на внешней боковой поверхности цилиндрического корпуса 6 устанавливается посредством фиксатора 35. В конструкции стенда предусмотрена заглушка 36 цилиндрического корпуса 6, снимаемая или устанавливаемая при установке или замене упругого элемента 14 и стакана 10. Также в состав стенда может входить подключенный к блоку 34 питания блок 37 измерения временных интервалов, соответствующие входы которого соединены с выходами основного 29 и дополнительного 30 ключей.
Стенд для воспроизведения и демонстрации процесса колебаний объекта функционирует следующим образом.
С источника 34 питания подаются соответствующие напряжения питания на датчик 25 угловых перемещений, дополнительный источник 27 излучения, блок 28 регистрации информационных сигналов, ключ 29, дополнительный ключ 30 и видеосистему 32 регистрации процессов колебаний. Объект 13, представляющий собой приборное устройство или его элемент, размещается в стакане 10, после чего источник 17 тока подключается к источнику 16 излучения. После этого устанавливается необходимая длина телескопической штанги 4 и фиксируется фиксатором 5 ее длины. Перед демонстрацией процесса колебаний проводится предварительная настройка стенда, при которой телескопической штанге 4 и связанному с ней посредством переходника 5 цилиндрическому корпусу 6 сообщаются угловые перемещения, регистрируемые датчиком 25 угловых перемещений. При этом для используемых в процессе демонстрации упругого элемента 14, стакана 10 с крышкой 12 и размещенными в нем объектом 13, источником 16 излучения, источником 17 тока, а также для массово-геометрических характеристик конструкции, определяющих частоту угловых колебаний объекта 13, по шкале 9 регистрируются линейные перемещения стакана 10 и определяется их амплитуда. Также для определения амплитуды линейных перемещений стакана 10 используется видеокамера 33, для которой выбирается необходимый ракурс съемки за счет изгиба стержня 31. Положение на цилиндрическом корпусе 6 и фиксация кольца 18 с размещенным в его радиальном отверстии 19 фотоприемником 20 соответствует максимальному значению линейного перемещения стакана 10. При этом стакан 10 устанавливается таким образом, чтобы радиальное отверстие 11 стакана 10 и основной фотоприемник 20 были расположены напротив прорези 8 цилиндрического корпуса 6. После установки кольца 18 его положение фиксируется фиксатором 35. При установке или замене упругого элемента 14 и стакана 10 с размещенными в нем элементами стенда снимается или устанавливается заглушка 36 цилиндрического корпуса 6, а также переходник 7, связывающий телескопическую штангу 4 и цилиндрический корпус 6.
В положении равновесия конструкции, что соответствует нулевому значения угла отклонения телескопической штанги 4 от вертикали, дополнительный фотоприемник 24, размещенный на дополнительной стойке 21, устанавливается соосно дополнительному источнику 27 излучения. Далее телескопической штанге 4 сообщается отклонение от вертикали на заданный угол, что регистрируется датчиком 25 угловых перемещений, после чего телескопическая штанга 4 и связанный с ней цилиндрический корпус 6 начинают совершать угловые колебания. В результате стакан 10, находящийся в поле инерционных сил, совершает вынужденные колебания. При достижении максимального смещения (определенного априори на этапе предварительной настройки) излучение от источника 16, проходя через радиальное отверстие 11 стакана 10, регистрируется фотоприемником 20. Сигнал с его выхода поступает на управляющий вход ключа 29, в результате чего на его выходе формируется напряжение для срабатывания индикатора 22, выполненного, например, в виде источника излучения. Также при прохождении телескопической штангой 4 положения равновесия дополнительным фотоприемником 24 регистрируется сигнал от дополнительного источника 27 излучения, поступающий на управляющий вход дополнительного ключа 30, в результате чего на его выходе формируется напряжение для срабатывания индикатора 23, выполненного, например, в виде источника излучения. Информационные сигналы с выходов основного 29 и дополнительного 30 ключей, а также с датчика 25 угловых перемещений поступают на соответствующие входы блока 28 регистрации информационных сигналов для наблюдения и последующего анализа. Совокупность информационных сигналов с датчика 25 угловых перемещений, а также смещенных во времени относительно друг друга информационных сигналов с выходов основного 29 и дополнительного 30 ключей позволяет продемонстрировать запаздывание по времени процесса вынужденных колебаний относительно вынуждающей силы, максимальное значение которой по времени соответствует моменту прохождения дополнительным источником 27 излучения положения равновесия. Использование в составе стенда подключенного к блоку 34 питания блока 37 измерения временных интервалов позволяет дополнительно регистрировать и измерять временные интервалы между моментами формирования информационных сигналов на выходах основного 29 и дополнительного 30 ключей.
Изменение характеристик колебательной системы (упругого элемента 14 и стакана 10 с размещенными в нем элементами), а также массовых и геометрических характеристик конструкции, определяющих период угловых колебаний, позволяет воспроизводить различные режимы комплексных колебаний и осуществлять демонстрацию как процессов угловых колебаний, так и вынужденных колебаний объекта 13 с регистрацией отставания по фазе процесса вынужденных колебаний от вынуждающей силы.
Использование стенда в учебном процессе позволяет осуществлять воспроизведение и демонстрацию процессов колебаний объекта в широком диапазоне амплитудно-частотных характеристик при вариации характеристиками колебательной системы, а также массово - геометрическими параметрами элементов конструкции стенда, определяющими характеристики процесса угловых колебаний.