Прибор для демонстрации упругого и неупругого ударов

 

Изобретение относится к демонстрационным приборам и наглядным пособиям по физике. Прибор содержит два свободно падающих на твердую поверхность физических тела, охватывающее и охватываемое, одно из которых выполняет роль направляющего для перемещения связанного с ним силами трения другого тела. На одном из тел имеется фиксатор положения второго тела. Твердая поверхность содержит датчик импульса, подключенный к измерительному прибору. На концах направляющего тела, контактирующих с поверхностью соударения, имеются ограничители перемещения связанного тела, выполненные в виде полусферических насадок из упругого материала. Охватывающее тело или часть его выполнено прозрачным. 1 з. п. ф-лы, 3 ил.

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

Известен прибор для демонстрации упругого и неупругого ударов, состоящий из двух шаров, подвешенных на бифилярном подвесе так, что они в положении равновесия касаются друг друга.

Также известен прибор, содержащий два или несколько шарообразных тел, выполненных из различных материалов, и твердую поверхность. При взаимодействии шара с другим шаром или с твердой поверхностью шары, выполненные из пластического материала, соударяются неупруго, а шары из упругого материала претерпевают упругий удар.

Данные приборы не допускают того, чтобы удар одного устройства в зависимости от его внутреннего состояния был либо упругим, либо неупругим, не демонстрируют переход механической энергии во внутреннюю за счет трения и не показывают, что при упругом ударе тела обмениваются импульсом, в два раза большим, чем при неупругом.

Известен прибор для испытания поверхностей на упругость, состоящий из преобразовательного и электронного блоков. Преобразовательный блок представляет собой ударную головку, в которой неподвижно закреплен пьезоэлектрический датчик удара. Электронный блок содержит усилитель, пиковый детектор, аналого-цифровой преобразователь, а также регистрирующее устройство.

При ударе об исследуемую поверхность датчик выдает сигнал, амплитуда которого пропорциональна ускорению прибора при взаимодействии. Этот сигнал поступает на регистрирующее устройство.

Прибор не позволяет продемонстрировать упругий и неупругий удар, а также превращение упругого удара в неупругий при переходе механической энергии во внутреннюю.

Известен прибор для измерения механического напряжения, состоящий из башни с вертикальными направляющими, установленной на наковальне, и соединенных между собой молотка, образца, бруска с тензодатчиком и груза с возможностью перемещения по направляющим. Прибор также включает в себя электронное регистрирующее устройство, подключенное к системе контактов.

Молоток падает с заданной высоты, соударяется с наковальней, а груз, продолжая свое падение, растягивает образец и брусок с тензодатчиком. С помощью регистрирующего устройства определяют величину механического напряжения.

Прибор не позволяет продемонстрировать упругий и неупругий удар, зависимость результата взаимодействия двух тел от внутреннего состояния одного из них, показать превращение упругого удара в неупругий при переходе механической энергии во внутреннюю.

Прототипом изобретения является установка для тестирования образцов динамическим давлением [1] состоящая из основания с вертикальными направляющими, груза с возможностью перемещения с трением по ним, образца и расположенного на основании датчика удара, соединенного с регистрирующим устройством. Кроме того, имеется фиксатор положения груза относительно направляющих и ограничители перемещения груза.

При падении груза с заданной высоты он ударяет по образцу и датчику удара, сигнал с которого подается на регистрирующее устройство. Если использовать образцы из упругих и пластических материалов, то можно продемонстрировать упругий и неупругий удар.

Прибор не позволяет показать зависимость результата взаимодействия двух тел от внутреннего состояния одного из них, продемонстрировать превращение упругого удара в неупругий за счет перехода механической энергии во внутреннюю.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей прибора, создание устройства, которое в зависимости от своего состояния в одном случае упруго ударяется о твердую поверхность, в другом неупруго, а также позволяет продемонстрировать, что при упругом ударе импульс, которым обмениваются взаимодействующие тела в два раза больше, чем при неупругом.

Указанная цель достигается тем, что в известном приборе, содержащем взаимодействующие между собой посредством силы трения груз и направляющую, имеющую ограничители перемещения груза, фиксатор взаимного положения груза и направляющей, и расположенный на основании датчик удара, фиксатор взаимного положения груза и направляющей установлен таким образом, что величина силы трения скольжения между направляющей и грузом превышает значение действующей на груз силы тяжести, а ограничители перемещения груза выполнены в виде полусферических насадок из упругого материала. Кроме того, направляющая может быть выполнена в виде трубки, часть которой прозрачна, а груз расположен внутри нее.

На фиг. 1 изображен внешний вид упрощенного варианта прибора без насадок-ограничителей; на фиг. 2 часть прибора, в котором направляющая выполнена в виде трубки, а груз находится внутри нее; на фиг. 3 часть прибора, в котором направляющая выполнена в виде цилиндра.

Прибор для демонстрации упругого и неупругого ударов содержит (фиг. 1) груз 1 с возможностью перемещения с трением по направляющей 2, фиксатор взаимного положения тел 3, а также датчик удара 5, например пьезоэлектрический, расположенный на твердой поверхности и подключенный к регистрирующему устройству 4, например к осциллографу.

Направляющая может быть выполнена в виде трубки 1, внутри которой находится груз 2 (фиг. 2), либо в виде стержня 2, вставленного в груз 1 (фиг. 3). При этом в качестве фиксатора взаимного положения груза и направляющей может использоваться болт 3 (фиг. 2, 3). С целью повышения наглядности путем увеличения высоты подскока прибора при упругом ударе, а также в качестве ограничителей движения груза относительно направляющей, использованы упругие полусферические насадки 4.

Отметим, что конфигурации груза и направляющей могут быть совершенно различными. Так, например, направляющая 1 (фиг. 2) может быть выполнена в виде шара с полостью, в которой расположен груз.

Прибор работает следующим образом. Направляющую со связанным с ней силами трения грузом поднимают на некоторую высоту над твердой поверхностью с датчиком импульса и отпускают. Если фиксирующий болт не завернут до упора, то при ударе происходит перемещение груза относительно направляющей. В результате трения между ними существенная часть механической энергии переходит во внутреннюю. Удар неупругий, прибор после удара не подскакивает, регистрирующее устройство показывает импульс напряжения определенной амплитуды на выходе датчика удара.

В случае, когда фиксирующий болт завернут до упора или нижний край груза касается нижнего ограничителя перемещения, то скольжения груза по направляющей не происходит и во внутреннюю энергию переходит лишь незначительная часть механической. Удар упругий, направляющая с грузом высоко подпрыгивает после удара, регистрирующее устройство показывает, что амплитуда электрического импульса на выходе датчика удара примерно в два раза больше.

Прибор может быть использован без датчика импульса и регистрирующего устройства. При этом направляющая с грузом должна падать на твердую поверхность, а об упругости или неупругости удара следует судить по высоте подскока прибора.

Если трубка 1 (фиг. 2) целиком с одной стороны или с одного конца прозрачна, то это позволит определить положение груза и предсказать каким будет удар: упругим или неупругим. Полусферические насадки на обоих концах направляющей обеспечивают постоянную готовность прибора к демонстрациям: когда после нескольких опытов груз дойдет до нижнего ограничителя, достаточно прибор перевернуть, чтобы можно было продолжать эксперименты.

Образцы прибора для демонстрации упругого и неупругого ударов изготовлены авторами и используются в процессе обучения студентов Глазовского педагогического института.

Формула изобретения

1. Прибор для демонстрации упругого и неупругого ударов, содержащий взаимодействующие между собой посредством силы трения груз и направляющую, имеющую ограничители перемещения груза, фиксатор взаимного положения груза и направляющей и расположенный на основании датчик удара, соединенный с входом регистрирующего устройства, отличающийся тем, что фиксатор взаимного положения груза и направляющей установлен таким образом, что величина силы трения скольжения между направляющей и грузом превышает значение действующей на груз силы тяжести, а ограничители перемещения груза выполнены в виде полусферических насадок из упругого материала.

2. Прибор по п.1, отличающийся тем, что направляющая выполнена в виде трубки, часть которой прозрачна, а груз расположен внутри нее.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3