Учебный прибор по физике

 

Изобретение относится к учебным пособиям по физике и теоретической механике и может быть использовано для демонстрации явления прецессии гироскопа и закона сохранения момента количеств движения материальной системы. Цель - повышение дидактических возможностей. Сущность изобретения: Учебный прибор содержит основание, вертикальную ось, раму, установленную на оси, статически уравновешенный стержень с грузами, который установлекн на раме с помощью полуосей и содержит внутреннюю выдвижную часть, на конце которой на подшипнике установлен ротор гироскопа. При демонстрации закона сохранения момента количеств движения раме сообщается вращение вокруг вертикальной оси, а затем одновременно с ней и стержню вокруг полуосей, при этом расстояние грузов до вертикальной оси вращения изменяется, что дает возможность получить переменный момент инерции всей системы относительно вертикальной оси. После раскрутки ротора демонстрируется возникновение гироскопического момента при повороте рамы, а затем после выдвижения внутренней части стержня демонстрируется прецессия тяжелого гироскопа. 1 ил.

Изобретение относится к учебным пособиям по физике и теоретической механике и может быть использовано для демонстрации большой группе слушателей явления прецессии гироскопа и закона сохранения момента количеств движения материальной системы.

Известен учебный прибор для демонстрации прецессии гироскопа под действием момента силы тяжести, содержащий стойку с подшипниками, в которых установлен шток, закрепленный на штоке с возможностью качания кожух со штангой и противовесом и расположенный в кожухе электродвигатель, линия питания которого содержит контактные кольца, при этом подшипники выполнены электрически изолированными от стойки, а контактные кольца совмещены с наружными и внутренними обоймами подшипников, каждый провод линии питания имеет разрыв, один конец которого связан с наружной, а другой - с внутренней обоймой одного из подшипников, причем тела качения подшипников выполнены из электропроводного материала (а.с.СССР N 1370662, кл. G 09 B 23/06, 1988).

Известный прибор позволяет продемонстрировать прецессию гироскопа под действием момента силы тяжести, но не позволяет продемонстрировать закон сохранения момента количеств движения материальной системы.

Известен учебный прибор по физике для иллюстрации третьего закона Ньютона при вращательном движении тел, содержащий установленный на подставке поворотный вертикальный стержень, съемную вилку, надеваемую на стержень, смонтированное на вилке съемное коромысло, на противоположных концах которого расположены два маховика, соединенные между собой упругой нитью, и набор дисков, надеваемых на вертикальный стержень (а.с. СССР N 288429, кл. 42 n 11/01, 1971).

Данный прибор позволяет получить переменный момент инерции всей системы относительно вертикальной оси и продемонстрировать возможность создания управляющих моментов с помощью маховиков, но не позволяет продемонстрировать гироскопические явления с использованием его вращающихся масс.

Наиболее близким по конструктивным признакам к предлагаемому устройству является учебный прибор по физике и теоретической механике под названием "Маятник Пошехонова", содержащий основание, вертикальную ось, установленную на ней раму с возможностью свободного вращения вокруг вертикальной оси и горизонтальную ось рамы, на которой установлен с возможностью вращения статически уравновешенный стержень с массами на его концах (Демонстрационные приборы по теоретической механике./Под ред.проф. Н.В.Бутенина. ВИКИ им. А.Ф.Можайского, 1980, Л.: с.51-53).

При вращении стержня прибора вокруг горизонтальной оси расстояние масс до оси вращения рамы изменяется, что дает возможность получить переменный момент инерции всей системы относительно вертикальной оси. Однако данный прибор не позволяет продемонстрировать гироскопические явления с использованием его вращающихся масс.

Цель изобретения - повышение дидактических возможностей.

Цель достигается тем, что в учебном приборе по физике, содержащем основание, вертикальную ось, установленную на ней раму с возможностью свободного вращения вокруг вертикальной оси, горизонтальную ось рамы, на которой установлен статически уравновешенный стержень с грузами на его концах, в нем один из грузов выполнен в виде гироскопа, а статически уравновешенный стержень выполнен составным из двух установленных с возможностью осевого перемещения и фиксации одна относительно другой частей, первая из которых - наружная соединена с помощью полуосей и втулок со стойками рамы, а вторая - внутренняя содержит установленный соосно статически уравновешенному стержню на подшипниках ротор, который выполнен, например, в виде шара аналогично грузу, жестко установленному на конце наружной части статически уравновешенного стержня.

На чертеже изображен предлагаемый учебный прибор по физике.

Учебный прибор по физике содержит основание 1, вертикальную ось 2, закрепленную на основании, раму 3 со стойками, установленную на вертикальной оси 2 с помощью подшипника 4 так, что внутренний плоский торец отверстия подшипника 4 опирается на сферический торец вертикальной оси 2, статически уравновешенный стержень 5 с грузами 6 на его концах, который выполнен составным из двух установленных с возможностью осевого перемещения и фиксации одна относительно другой частей, первая 7 из которых - наружная соединена с помощью полуосей 8 и подшипниковых втулок 9 со стойками рамы 3, а вторая 10 - внутренняя содержит установленный соосно статически уравновешенному стержню 5 на подшипниках 11 ротор 12 гироскопа, который выполнен, например, в виде шара аналогично грузу 6, жестко установленному на конце наружной части 7 статически уравновешенного стержня, и фиксатор 13 внутренней части 10 стержня 5, укрепленный на наружной части 7 стержня 5.

Учебный прибор по физике работает следующим образом.

На первом и втором этапах при демонстрации закона сохранения момента количеств движения материальной системы грузы 6 находятся на одинаковом расстоянии от полуосей 8 рамы 3, внутренняя часть 10 стержня 5 зафиксирована фиксатором 13 относительно его внешней части 7. Затем раме 3 сообщается вращение вокруг вертикальной оси при неподвижном относительно рамы 3 стержне 5. Наиболее целесообразно при этом устанавливать стержень в горизонтальном или близком к нему положении. Ввиду отсутствия момента внешних сил (моментом сил трения в подшипнике 4 можно пренебречь) и постоянства момента инерции системы относительно вертикальной оси угловая скорость вращения рамы 3 остается неизменной. По окончании демонстрации этой закономерности рама 3 останавливается.

После этого вначале приводится во вращение с небольшой угловой скоростью стержень 5 и затем снова сообщается вращение вокруг вертикальной оси 2 раме 3. Благодаря вращению стержня 5 и грузов 6 момент инерции всей системы периодически изменяется. И так как при этом момент количеств движения системы сохраняет все время постоянное значение, то вращение рамы 3 происходит с переменной угловой скоростью, изменяющейся в соответствии с изменением положения стержня 5.

На третьем этапе производится демонстрация прецессии тяжелого гироскопа и его устойчивости к ударным нагрузкам, а также возникновение гироскопического момента. Для этого ротору 12 гироскопа с помощью переносного электродвигателя сообщается необходимая скорость вращения (примерно 500-700 об/мин). С этой целью резиновый диск, закрепленный на валу внешнего электродвигателя, приводится в непосредственный контакт с ротором 12 прибора и благодаря силе трения резиновый диск вовлекает ротор 12 во вращение.

По окончании раскрутки ротора 12 осуществляется вращение рамы 3 прибора вокруг вертикальной оси, которое приводит к появлению гироскопического момента, и, как следствие, к повороту ротора 12 около полуосей 8.

Для демонстрации прецессии тяжелого гироскопа и его устойчивости к ударным нагрузкам фиксатором 13 раскантривается внутренняя часть 10 стержня 5 с ротором 12, которая затем выдвигается на всю возможную длину и снова фиксируется фиксатором 13 во внешней части 7 стержня 5. Стержень 5 устанавливается под разными углами к вертикали, и в пределе угол его наклона доводится до 90^о.

При той же угловой скорости собственного вращения ротора 12 угловая скорость прецессии не изменяется, что демонстрирует пропорциональность момента силы тяжести, а следовательно, скорости конца вектора кинетического момента, синуса угла отклонения оси от вертикали и одновременной пропорциональности этому синусу радиуса и длины окружности, описываемой указанным вектором.

Для демонстрации устойчивости гироскопа к ударным нагрузкам наносятся легкие удары по его диску или стержню 5.

Конструкция данного прибора позволяет получить переменный момент инерции всей системы относительно вертикальной оси при отсутствии момента внешних сил и наглядно продемонстрировать закон сохранения момента количеств движения материальной системы, а также продемонстрировать ряд гироскопических явлений.

Ожидается положительный качественный эффект при изучении соответствующих разделов физики и механики, экономический эффект от лучшего усвоения демонстрируемых физических законов.

Формула изобретения

УЧЕБНЫЙ ПРИБОР ПО ФИЗИКЕ, содержащий основание, вертикальную ось, установленную на ней раму с возможностью свободного вращения вокруг вертикальной оси, горизонтальную ось рамы, на которой установлен статически уравновешенный стержень с грузами на его концах, отличающийся тем, что, с целью повышения дидактических возможностей в нем один из грузов выполнен в виде гироскопа, а статически уравновешенный стержень выполнен составным из двух установленных с возможностью осевого перемещения и фиксации одна относительно другой частей, первая из которых - наружная соединена с помощью полуосей и втулок со стойками рамы, а вторая - внутренняя содержит установленный соосно статически уравновешенному стержню на подшипниках ротор, который выполнен, например, в виде шара аналогично грузу, жестко установленному на конце наружной части статически уравновешенного стержня.

РИСУНКИ

Рисунок 1