установка для изучения вращательного движения

Формула изобретения

1. Установка для изучения вращательного движения, содержащая диск, установленный с возможностью вращения вокруг своей оси, в котором на равных расстояниях от центра выполнены отверстия, осесимметричное тело, установленное на диске с возможностью снятия, движитель и расположенный вблизи отверстий диска оптический датчик, подключенный к регистрирующему устройству, отличающаяся тем, что в нее дополнительно введен магнит с ферромагнитным сердечником, движитель выполнен индукционным и расположен вблизи диска, диск выполнен из металла-диамагнетика, а ось диска выполнена в виде ферромагнитного стержня, при этом диск установлен посредством подвески за ферромагнитный стержень к ферромагнитному сердечнику магнита.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что индукционный движитель выполнен в виде П-образного сердечника с тремя обмотками, две из которых намотаны во взаимно противоположных направлениях и подключены к переключателю направления вращения.

3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что в качестве регистрирующего устройства используется частотомер, состоящий из генератора, ключевого устройства и счетчика импульсов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к учебным приборам и наглядным пособиям по физике, в частности по механике.

При вращении тела в вязкой среде под действием постоянного вращающего момента возникает тормозящий момент, пропорциональный угловой скорости и направленный противоположно вращающему. По мере увеличения скорости тормозящий момент растет, все в большей и большей степени компенсируя вращающий момент и тем самым уменьшая угловое ускорение. Когда тормозящий момент становится равным вращающему, тело начинает двигаться равномерно с угловой скоростью, называемой предельной.

Известен диск вращающийся с набором принадлежностей, состоящий из стального диска с двухступенчатым шкивом, подшипника и стержня для крепления прибора в штативе [1]. Прибор также включает в себя маятниковый тахометр, желоб с делениями и роликом на одном конце, два стальных катка, дугу с центрирующей муфтой и шариком на нити и другие принадлежности.

На шкив наматывается нить и затем приводят диск во вращение. Используя имеющиеся в комплекте принадлежности, демонстрируют зависимость центростремительной силы и ускорения от скорости вращения и радиуса кривизны траектории, методы измерения угловой скорости и углового ускорения.

Прибор не позволяет изучить вращение тела в вязкой среде, построить графики зависимостей угловой скорости, углового ускорения и угла поворота диска от времени.

Известен маятник Обербека, состоящий из двух- или трехступенчатого шкива, к которому прикреплены металлические стержни с подвижными грузами [2] . Шкив установлен с возможностью вращения вокруг горизонтальной оси.

На шкив наматывают нить с грузом на конце и отпускают. При этом шкив приходит в равноускоренное вращательное движение. Измеряя время опускания груза на известную высоту, массу груза, диаметр шкива, можно установить пропорциональность углового ускорения вращающему моменту. Прибор позволяет изменять момент инерции путем перемещения грузов по стержням.

Данное устройство не позволяет изучить вращение тела в вязкой среде, не допускает непосредственного измерения угловой скорости движения в различные моменты времени, не позволяет изменять величину и направление раскручивающего момента, что снижает функциональные возможности прибора.

Известен демонстрационный прибор по физике [3], содержащий столешницу с установленным на ней телом, охватывающую боковой стенкой полое перфорированное основание с торцевыми и боковыми отверстиями, и соединенный с ним источник сжатого газа. Кроме того, в прибор входят блоки, с перекинутой через них нитью с грузом, второй конец которой намотан на боковую поверхность столешницы. В столешнице выполнены отверстия, позволяющие с помощью оптодатчика регистрировать параметры движения.

Прибор работает следующим образом. Через трубу в полость основания нагнетается газ, в результате чего столешница поднимается и под действием нити с грузом приходит во вращение вокруг вертикальной оси. Измерение скорости движения осуществляется с помощью оптодатчика. Прибор позволяет изучить равномерное, равноускоренное и неравноускоренное движения, основной закон динамики вращательного движения, теорему Штейнера, определить момент инерции тела.

Прибор не позволяет изучить вращение тела в вязкой среде и не допускает в процессе проведения эксперимента изменять величину и направление вращающего момента, действующего на столешницу с телом.

В качестве прототипа изобретения нами выбран прибор для изучения равноускоренного вращательного движения [4]. Прибор содержит барабан (диск) с возможностью вращения вокруг оси, на который намотана нить. Другой конец нити перекинут через неподвижный блок и привязан к грузу. В барабане выполнены равноудаленные от оси вращения отверстия, вблизи которых установлен оптический датчик, подключенный к регистрирующему устройству. Прибор допускает установку на барабане осесимметричного тела и, кроме того, содержит электрический секундомер с двумя датчиками, расположенными вблизи верхнего и нижнего положений груза, и линейку для определения перемещения груза.

При отпускании груз начинает равноускоренно двигаться вниз, раскручивая при этом барабан с телом. Происходит запуск секундомера и регистрация отверстий диска, прошедших через оптический датчик. Когда груз достигает нижнего датчика, секундомер выключается. Исследуемое тело с барабаном (диском) вращается по инерции, фоторегистрирующее устройство продолжает регистрировать проходящие мимо него отверстия.

Недостатки прибора состоят в следующем: 1) прибор не позволяет изучить вращение тела в вязкой среде, 2) прибор сложен, так как содержит регистрирующее устройство и автоматический секундомер, 3) прибор не удобен в использовании, так как для проведения каждого опыта требуется закручивать нить на диск, приводить в рабочее состояние самописец и секундомер, 4) прибор не позволяет в процессе опыта изменять величину и направление вращающего момента, действующего на диск.

Цель изобретения - повышение функциональных возможностей прибора и удобства в использовании.

Указанная цель достигается тем, что установка для изучения вращательного движения, содержащая диск с возможностью вращения вокруг своей оси, в котором на равных расстояниях от центра выполнены отверстия, осесимметричное тело, установленное на диске с возможностью снятия, движитель и расположенный вблизи отверстий диска оптический датчик, подключенный к регистрирующему устройству, имеет магнит с ферромагнитным сердечником, движитель выполнен индукционным и расположен вблизи диска, диск изготовлен из металла - диамагнетика, в его центре закреплен ферромагнитный стержень, при этом диск установлен посредством подвески за ферромагнитный стержень к ферромагнитному сердечнику магнита.

Индукционный движитель может быть выполнен в виде П-образного сердечника с двумя обмотками, одна из которых замкнута накоротко. В качестве регистрирующего устройства может использоваться частотомер, состоящий из генератора, ключевого устройства и счетчика импульсов.

На фиг. 1 изображена функциональная схема прибора; на фиг. 2 приведены графики зависимостей основных кинематических характеристик вращательного движения от времени в одном из опытов.

Установка состоит из диска 1 с осесимметричным телом 2 и ферромагнитным стержнем 3, за который он подвешен к ферромагнитному сердечнику 4 с магнитом 5 (фиг. 1). Вблизи диска расположен индукционный движитель 11 и оптический датчик, включающий в себя источник света 10 и фотоэлемент 9, подключенный к регистрирующему устройству. Диск выполнен из металла-диамагнетика (например, аллюминия) и имеет равноудаленные от центра отверстия. Индукционный движитель может представлять собой систему обмоток, подключенных к источнику многофазного напряжения, или как показано на фиг. 1, П-образный сердечник с двумя обмотками, одна из которых замкнута накоротко. В качестве регистрирующего устройства может использоваться частотомер, состоящий из последовательно соединенных генератора 6, ключевого устройства 7 и счетчика импульсов 8.

Прибор работает следующим образом. При подаче на первичную обмотку движителя переменного напряжения в замкнутой вторичной обмотке возникает ток индукции, сдвинутый по фазе относительно тока в первичной обмотке. В результате вблизи разомкнутых полюсов сердечника возникает перемещающееся магнитное поле, индуцирующее в проводящем диске токи Фуко. В результате взаимодействия с ними магнитное поле увлекает диск за собой, приводя его во вращение, подобно тому, как вращающееся магнитное поле асинхронного двигателя приводит в движение ротор "беличье колесо". Диск выполнен из диамагнетика и поэтому не притягивается к полюсам движителя.

В случае, когда индукционный движитель, выполнен в виде нескольких обмоток, подключенных к источнику многофазного напряжения, происходят аналогичные явления: возникающее вращающееся магнитное поле увлекает за собой диамагнитный диск, приводя его во вращение.

При вращении диска отверстия и непрозрачные промежутки между ними последовательно открывают и закрывают источник света, тем самым прерывая световой поток, идущий к фотоэлементу. На выходе фотоэлемента возникают электрические импульсы, поступающие на вход регистрирующего устройства, например, самописца. В качестве регистрирующего устройства может использоваться частотомер, состоящий из генератора 6, ключевого устройства 7 и счетчика импульсов 8. В этом случае установка работает так. Электрические импульсы, поступающие с выхода генератора периодически открывают на время t₁ и закрывают на время t₂ ключевое устройство. Когда ключевой элемент открыт, счетчик считает импульсы, поступающие с фотодатчика, когда ключевой элемент закрыт, счет импульсов прекращается. При этом на индикаторах счетчика высвечивается число отверстий в диске, которое успело пройти через оптодатчик за известное время t₁. По показаниям счетчика можно определить угловую скорость вращения в промежутки времени, отстоящие друг от друга на интервал T=t₁+t₂, методами численного дифференцирования и интегрирования найти соответствующие значения углового ускорения, угла поворота диска, и построить графики их зависимостей от времени.

Прибор позволяет изменять момент инерции диска, устанавливая или убирая осесимметричное тело 2, и регулировать величину и направление момента вращения в процессе эксперимента. Это осуществляется путем изменения напряжения питания движителя, и поворотом движителя вокруг вертикальной оси или его установкой с противоположной стороны диска.

На фиг.2 изображены графики зависимостей основных параметров вращательного движения от времени в опыте, когда диск разогнали до некоторой скорости вращения и в нулевой по графику момент времени изменили направление вращательного момента на противоположное, повернув или переместив индукционный движитель. При этом угловая скорость уменьшилась до нуля (диск остановился) и начала расти в отрицательном направлении (диск начал раскручиваться в противоположную сторону), стремясь к некоторому предельному значению. Угол поворота монотонно возрастает, в момент остановки диска достигает максимума, затем монотонно убывает. Угловое ускорение, все время оставаясь отрицательным, монотонно стремится к нулю. Через некоторое время, когда тормозящий момент полностью компенсирует вращающий момент, движение становится равномерным.

Изготовленный нами вариант прибора успешно используется при проведении лабораторных работ по механике в Глазовском педагогическом институте. Основные параметры прибора: диск дюралевый диаметром 200 мм, число отверстий 50. Генератор частотомера вырабатывает меандр на частотах 0,25 Гц и 0,125 Гц, счетчик импульсов трехразрядный.