Прибор для демонстрации действия кориолисовой силы инерции

 

Сущность изобретения: прибор для демонстрации действия кориолисовой силы инерции имеет основание, стойку, направляющие с упором и подвижный груз. Груз выполнен в виде колес с ребордами и осью со сферическими подшипниками. Ось кинематически связана с ползуном. При вращении направляющих груз начинает перемещение демонстрируя величину и направление поворотного ускорения. 3 ил.

Изобретение относится к учебным пособиям по физике и теоретической механике и может быть использовано в учебном процессе.

Известен учебный прибор по физике, содержащий рычаг, установленный на валу привода, и связанное с осью рычага средство для визуальной регистрации действия кориолисовой силы, причем средство для визуальной регистрации направления действия кориолисовой силы состоит из корпуса, выполненного из двух частей, одна из которых имеет форму цилиндра, а другая форму усеченного конуса, трубок, расположенных на внешней поверхности корпуса, и шариков, размещенных в трубках (авт. св. N 896669, кл. G 09 B 23/06, 1982).

Недостатком данного учебного прибора является то, что он не обеспечивает наглядность действия центробежной переносной силы инерции, возникающей в конструкциях подвижных опор (колес с осью) транспортных средств при повороте на скорости.

Известен прибор для демонстрации действия кориолисовой силы инерции, содержащий платформу, установленную в основании с возможностью вращения относительно вертикальной оси, регистрирующую шкалу с разметкой параметра, характеризующего величину действующей силы, динамометрический указатель, материальную точку и направляющую ее перемещения, смонтированную на платформе, причем он снабжен дополнительным динамометрическим указателем и двумя подвижно установленными на платформе визирами шкалы с возможностью взаимодействия с динамометрическими указателями, при этом последние выполнены в виде консольно закрепленных на платформе пластин, образующих сопряженный с направляющей желоб, а направляющая расположена вертикально над платформой (авт. св. N 1026153, кл. G 09 B 23/08, 1983).

Недостатком данного прибора является то, что он не обеспечивает наглядность действия центробежной переносной силы инерции, возникающей в конструкциях подвижных опор (колес с осью) транспортных средств при повороте на скорости.

Прибор для демонстрации действия кориолисовой силы инерции, содержащий установленную на основании стойку, направляющую, связанную со стойкой с возможностью вращения относительно вертикальной оси, подвижный относительно направляющей груз и средство для регистрации действия кориолисовой силы, причем средство для регистрации действия кориолисовой силы состоит из нескольких полых градуированных цилиндров, радиально расположенных в плоскости, перпендикулярно направляющей, консольно закрепленных на подвижном грузе, и дополнительных грузов, свободно расположенных в каждом цилиндре (авт. св. N 1174965, кл. G 09 B 23/08,1985).

Данный прибор обеспечивает наглядность демонстрации зависимости кориолисова ускорения от величины угла между векторами относительной скорости и вектором угловой скорости переносного движения, но не обеспечивает наглядность действия центробежной переносной силы инерции, возникающей в конструкциях подвижных опор транспортных средств при повороте на скорости.

Наиболее близким по конструктивным признакам к предлагаемому устройству является прибор для демонстрации действия силы инерции, содержащий установленную на основании стойку, направляющую, связанную со стойкой с возможностью вращения вокруг вертикальной оси, подвижный относительно направляющей основной и связанный с ним дополнительный груз, средство для установки дополнительного груза под заданным углом к оси вращения, размещенное перпендикулярно направляющей. Направляющая выполнена в виде правильного многогранника, имеющего в месте соединения со стойкой цилиндрический участок, средство для установки дополнительного груза под заданным углом, содержит жестко связанную с подвижным грузом шайбу и установленные в подвижном грузе перпендикулярно направляющей стержень и фиксатор его перемещения, при этом дополнительный груз выполнен сменным и закреплен на стержне, а отверстие в шайбе имеет форму правильного многогранника, соответствующего профилю направляющей (авт. св. N 1327150, кл. G 09 B 23/08, 1987).

Данный прибор позволяет повысить наглядность демонстрации действия кориолисовой силы инерции и зависимость величины поворотного ускорения от массы дополнительного груза, но не обеспечивает наглядность действия центробежной переносной силы инерции, возникающей в конструкциях подвижных опор транспортных средств при повороте на скорости.

Цель изобретения повышение наглядности демонстрации действия кориолисовой силы инерции.

Цель достигается тем, что в приборе для демонстрации действия кориолисовой силы инерции, содержащем установленную на основании стойку, направляющую, связанную со стойкой с возможностью вращения вокруг вертикальной оси, подвижный относительно направляющей груз и средство для регистрации действия кориолисовой силы, в нем подвижный груз выполнен в виде двух колес с ребордами, которые соединены между собой осью со сферическими подшипниками, кинематически взаимодействующей через ползун с первой направляющей, и введены опоры колес подвижного груза, выполненные в виде двух дополнительных направляющих цилиндрического сечения, при этом ползун имеет продольное отверстие по диаметру первой направляющей и эксцентрично расположенные поперечные проушины для подвижного соединения с осью колес, а средство для регистрации действия кориолисовой силы выполнено в виде втулки с шариковыми замками, установленной на упоре направляющих, и паза, выполненного на конце ползуна.

На фиг. 1 изображен прибор, общий вид; на фиг. 2 стержень и фиксатор его перемещения; на фиг. 3 различные положения подвижного груза.

Прибор для демонстрации действия кориолисовой силы инерции содержит основание 1, вертикальную стойку 2, первую направляющую 3 круглого сечения и две дополнительные направляющие 4 и 5, соединенные упором 6, подвижный груз, выполненный в виде колес 7 с ребрами 8. Колеса 7 соединены между собой осью 9 со сферическими подшипниками 10, кинематически взаимодействующей через ползун 11 с первой направляющей 3. Ползун 11 имеет круглое продольное отверстие 12 по диаметру первой направляющей 3 и эксцентрично расположенные поперечные проушины 13 с осью 14 для соединения с осью 9 колес 7. Направляющие 3 5 жестко укреплены на втулке 15, которая установлена с помощью подшипников 16 на вертикальной стойке 2. С противоположной стороны втулки 15 укреплен противовес 17.

Освобождение подвижного груза производится механизмом, который содержит ведущую шестерню 18, жестко укрепленную на стойке 2, первую ведомую шестерню 19, установленную на втулке 15, вторую ведомую шестерню 20, установленную на оси в вершине стойки 2, кулачок 21, установленный на поверхности шестерни 20. На втулке 15 установлен замковый рычаг 22, входящий своим свободным концом в зацепление с круговым пазом 23, выполненным на верхней части ползуна 11. Между втулкой 15 и ползуном 11 на первой направляющей расположена винтовая пружина 24. Средство для регистрации действия кориолисовой силы выполнено в виде втулки 25 с шариковыми замками 26, укрепленной на упоре 6, и паза 27, выполненного на конце ползуна 11.

Прибор работает следующим образом.

В исходном положении подвижный груз находится у вертикальной стойки 2 и удерживается от поперечных и продольных перемещений с помощью замкового рычага 22, при этом ползун 11 подпружинен к втулке 15 винтовой пружиной 24, а колеса 7 груза с ребордами 8 опираются на дополнительные направляющие 4 и 5.

Для демонстрации кориолисова ускорения направляющим 3 5 вместе с подвижными грузом и противовесом 17 вручную (в любую сторону) сообщается необходимая угловая скорость ω относительно оси вертикальной стойки 2.

Во время раскрутки и вращения направляющих 3 5 с подвижным грузом по инерции по окружности в горизонтальной плоскости первая ведомая шестерня 19 механизма освобождения груза обкатывается около ведущей шестерни 18 данного механизма и перемещает с некоторой угловой скоростью вторую ведомую шестерню 20 с кулачком 21. При взаимодействии кулачка 21 с замковым рычагом 22 последний поворачивается на оси и освобождает ползун 11 с осью 9 и колесами 7.

После освобождения подвижного груза его колеса 7 с ребордами 8 имеют возможность двигаться, вращаясь по цилиндрическим направляющим 4 и 5 до упора 6 вместе с осью 9, кинематически взаимодействующей с ползуном 11. Под действием центробежной переносной силы инерции верхние части колес 7 начинают отклоняться относительно направляющих 4 и 5 в плоскости, перпендикулярной направляющим, поворачиваясь в сферических подшипниках 10 оси, и увлекая за собой ось 9, которая в свою очередь за счет связи с проушинами 13 с помощью оси 14 поворачивает ползун 11 вокруг направляющей 3. В то же время реборды 8 колес 7 препятствуют поперечному перемещению нижних частей колес 7. При входе свободного конца ползуна 11 с пазом 27 во втулку 25 замки 26 удерживают ползун 11 и колеса 7 в данном развернутом положении. Это отклонение верхних частей колес 7 демонстрирует величину и направление поворотного ускорения.

Данная конструкция повышает наглядность проявления действия кориолисовой силы инерции, которая существует в реальности, например, при повороте транспортных средств на скорости.

При реализации изобретения ожидается положительный качественный эффект при изучении соответствующих разделов теоретической механики и физики, экономический эффект от лучшего усвоения демонстрируемого закона.

Формула изобретения

Прибор для демонстрации действия кориолисовой силы инерции, содержащий стойку, связанную со стойкой с возможностью вращения вокруг вертикальной оси направляющую, груз, установленный с возможностью перемещения относительно направляющей, и средство регистрации действия силы Кориолиса, отличающийся тем, что на стойке параллельно первой направляющей установлены две дополнительные направляющие цилиндрического сечения, груз выполнен в виде двух колес с ребордами, размещенных на оси посредством сферических подшипников, а первая направляющая имеет коаксиально установленный ползун, центральное отверстие которого соответствует форме сечения первой направляющей, несущий расположенные эксцентрично относительно его продольной оси поперечные проушины, при этом колеса установлены на соответствующие дополнительные направляющие и их ось шарнирно соединена с проушинами ползуна, а средство регистрации выполнено в виде установленных соосно с ползуном втулки, в последней установлены подпружиненные шариковые фиксаторы, а ползун со стороны этой втулки имеет выполненный на его поверхности кольцевой паз для фиксации ползуна шариковыми фиксаторами.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3