DE2726975A1

DE2726975A1 - Physics teaching aid recording fall of mass - has sphere supported by pendulum with moment operated entirely by gravity

Info

Publication number: DE2726975A1
Application number: DE19772726975
Authority: DE
Inventors: Oswald Dipl Phys Roth
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1977-06-15
Filing date: 1977-06-15
Publication date: 1979-01-11
Also published as: DE2726975C2

Abstract

The release of the mass is operated entirely by a gravity operated pendulum with adjustable mass moment of inertia. The pendulum is in the form of a thin bar or blade (1) with a longitudinal slot (2), suspended on the frame (3). It is deflected by 90 deg. to a horizontal position, so that the mass (5) can be placed on it. It is suddenly released by operating a latch (13), and freely falls under its own weight. The acceleration of the latch exceeds that of the mass. An additional element (18) in the slot (2) adjust it to a min. which eliminates reaction owing to suction effect or adherence.

Description

Selbstregistrierendes Fallgerät mit rückwirkungsfreier Tragheits-Self-registering drop device with non-reactive inertia

auslösung (Pendelauslösung) des Fallkörpers Die Entwicklung von Auslösevorrichtungen, des kritischen Elements in Fallgeräten, ist bisher gekennzeichnet durch systematische Störungen, die von der Auslösevorrichtung selber herrühren und die die resuitierende beschieunigende Kraft vom Fallkörpergewicht abweichen lassen, und zwar nach oben wie auch nach unten.release (pendulum release) of the falling body The development of release devices, the critical element in drop devices, has so far been characterized by systematic Faults that originate from the release device itself and the resulting Allow the accelerating force to deviate from the weight of the falling body, namely upwards as well as down.

Bei Betätigung der Al.slösevorrichtung gemäß DE-AS 1 214 442 gleitet die Kugel bis zum Kugel äquator am unteren Rand der zurückweichenden Kreisschneide ab. Jegliche Klemmung z.B. genau DE-PS 1 202 037, bringt ähnliche Gewichtsverfälschung durch Reibung bei der Klauenöffnung. Magnetische Aufhängung kompensiert zunächst das Fallkörpergewicht und läBt den Körper nach ausschalten des Spulenstroms bereits starten, sobald auch nur die kleinste Abwärtskraft resultiert.When the Al.slösevorrichtung according to DE-AS 1 214 442 slides the ball up to the ball equator at the lower edge of the receding circular cutting edge away. Any clamping e.g. exactly DE-PS 1 202 037, brings similar weight corruption due to friction at the opening of the claws. Magnetic suspension initially compensates the weight of the falling body and already leaves the body after switching off the coil current start as soon as there is even the smallest downward force.

Das Gewicht des nichtmagnetischen Taststifts des Zeitmarkenfreigabeschalters gemäß DT 23 24 338 kann diesen Fehler nur teilweise kompensieren.The weight of the timestamp enable switch's non-magnetic stylus according to DT 23 24 338 can only partially compensate for this error.

Während die bisher beschriebenen Fehlerquellen den Freien Fall in negativem Sinn beeinflussen, indem sie ihn verzögern, ist mit dem federangetriebenen Winkelhebel gemäß FR-PS 21 24 755 eine Zusatzbeschleunigung durch Sog und/oder mechanische Haftung in der pfannenbohrung des Tragbalkens gegeben, wenn dieser durch die Antriebsfeder nach unten geschlagen wird, wobei eine erhebliche Relativbeschleunigung zwischen Balken und Fallkörper in Kauf genommen wird, die den Freien Fall in "positivem" Sinn verfälscht, indem sie ihn beschleunigt.While the sources of error described so far show the free fall in Affecting the negative sense by delaying it is with the spring-driven one Angle lever according to FR-PS 21 24 755 an additional acceleration by suction and / or mechanical Adhesion is given in the socket hole of the supporting beam when this is supported by the drive spring is hit down, with a significant relative acceleration between Beams and falling bodies are accepted, which cause the free fall in a "positive" Falsifies meaning by accelerating it.

Aus dieser Sicht ist die neutrale Lösung des Auslöseproblems Ziel vorliegender Erfindung, wobei also der Freie Fall weder verzögert noch künstlich beschleunigt wird. Ferner ist Ziel dieser Erfindung eine didaktisch befriedigende, einfache und billige Konstruktion.From this point of view, the objective is to find a neutral solution to the triggering problem present invention, so the free fall is neither delayed nor artificial is accelerated. Furthermore, the aim of this invention is a didactically satisfactory, simple and cheap construction.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Auslösevorrichtung mit einem geraden Balken als Hauptelement, der als physisches (physikalisches) Pendel am einen Ende drehbar aufgehängt ist. und eine ebene, glatte Oberseite parallel zur horizontalen Drehachse hat, auf der der Fallkörper am freien Ende punktuell aufliegt, wenn das Pendel zunächst, um 900 ausgelenkt, horizontal arretiert ist.The invention relates to a release device with a straight Beam as the main element, the physical (physical) pendulum at one end is rotatably suspended. and a flat, smooth top parallel to the horizontal Has axis of rotation on which the falling body rests at points at the free end, if the Pendulum is initially, deflected by 900, locked horizontally.

Aus dieser Ausgangslage schwingt es nach Entarretierung auf Crund des Eigengewichtsmoments frei herab bei gleichzeitigem Start des Fallkörpers. Für den eigengewichtsbeschleunigten freien Drehabfall des Pendels aus der Horizontalen ergibt sich bei homogener Massenverteilung nach Newtons 2. Axiom für die Drehbewegung am freien Ende die tangentiale Anfangsbeschleunigung at = 3/2 g0 , während sich der Fallkörper translatorisch nur mit der lokalen Fallbeschleunigung gO bewegt. Somit kann man die translatorische Bewegungsaufgabe "Freier Fall aus der Ruhe" ganz allgemein durch die Hinzunahme einer rotatorischen Wirkbewegung mit Selbstverstärkung lösen. Die Selbstverstärkung wird leicht einstellbar, der Beschleunigungsuberschuß des freien Pendelendes unddamit eine Rückwirkung auf den Fallkörper dauerhaft minimalisierbar, wenn man die rotatorische Wirkbewegung durch die gleiche Ursache induzieren läßt, die auch den translatorischen Freien Fall bestimmt, nämlich die Schwerkraft. Die Feineinstellung einer optimalen Relativbeschleunigung kann dann erfindungsgemäß leicht mit radial, also längs des Pendels verschieblichen Zusatzkörpern eintariert werden.From this starting position it swings to ground after unlocking the moment of its own weight freely descends with simultaneous start of the falling body. For the weight-accelerated free turning descent of the pendulum from the horizontal results from a homogeneous mass distribution according to Newton's 2nd axiom for the rotary motion at the free end the tangential initial acceleration at = 3/2 g0, while the falling body moves translationally only with the local acceleration due to gravity gO. This means that the translational movement task "free fall from rest" can be performed entirely generally through the addition of a rotary active movement with self-reinforcement to solve. The self-reinforcement is easily adjustable, the acceleration excess the free end of the pendulum and thus a retroactive effect on the falling body can be permanently minimized, if the active rotational movement is induced by the same cause, which also determines the translational free fall, namely gravity. the Fine adjustment of an optimal relative acceleration can then according to the invention slightly tared with additional bodies that can be moved radially, i.e. along the pendulum will.

Der erfinderische Überschuß der hier vorliegenden Schwerependelauslösung des Freien Falls aus der Ruhe gegenüber der federangetriebenen Tragbalkenauslösung gemäß FR-PS 21 24 755 besteht zunächst darin, daß bei der Schwerependelauslösung die doppelte Verwendung derselben Ursache, nämlich der Schwerkraft,eine dauerhafte Feinabstimmung der Anfangsbeschleunigung des freien Pendelendes auf einen sich von oben an g nähernden Wert erlaubt.The inventive excess of the gravity pendulum release present here of free fall from rest compared to the spring-operated support beam release according to FR-PS 21 24 755 is initially that when the gravity pendulum release the double use of the same cause, namely gravity, a permanent one Fine adjustment of the initial acceleration of the free end of the pendulum to one of value approaching g is allowed above.

Diese Einstellung ist nur einmal durchzuführen und gilt dann als optimal in jedem beliebigen Schwerefeld. Wir haben damit automatisch immer die optimale Anpassung an die jeweils lokal vorliegende Fallbeschleunigung, die sich überdies ruhig ändern darf (andere Erdgegend, Flugzeug, Raumschiff, anderer Himmelskörper).This setting only needs to be carried out once and is then considered optimal in any gravitational field. We automatically always have the optimal one Adaptation to the local acceleration due to gravity, which is also may change (other region of the earth, airplane, spaceship, other celestial body).

Bei der Konstruktion gemäß FR-PS 21 24 755 ist an diese automatische Kompensation bei der dortigen fest vorgespannten Feder, die vom lokalen Schwerefeld nichts wissen kann, nicht zu denken. Im übrigen muß bei dieser Schlagfederauslösung die Federkraft schon wegen der im Lauf der Zeit eintretenden Federermüdung so weit überdimensioniert werden, daß die auftretende Relativbeschleunigung Rückwirkung verursacht. Da es sich schließlich um ein physikalisches Lehrgerät aus dem Bereich der Gravitation handelt, muß die einheitliche Verwendung der gleichen einschlägigen Kraftart die erfindungsgemäße Schwerependelauslösung bereits didaktisch vor heterogenen Lösungen auszeichnen. Welche Sorgfalt die rückwirkungsfreie Auslösung generell erfordert, wird aus dem Unterrichtsfilm "Human Momenta" der Nasa (American Physics Teachers Association) deutlich, der ein impuls-und drallfreies Freisetzen eines Menschen im Raumfahrzeug Skylab zeigt: dabei muß praktisch quasistatisch vorgegangen werden. Das gleiche strebt die hier beschriebene Erfindung an. Dabei beinhaltet die vorliegende Pendel-Lösung also selbstverständlich auch den Schwerkraft-Sensor für die optimale Auslösung.In the construction according to FR-PS 21 24 755 this is automatic Compensation for the tightly pre-tensioned spring there, caused by the local gravitational field can not know anything, not to think. In addition, it must be triggered with this mainspring the spring force so far because of the spring fatigue that occurs over time are oversized that the relative acceleration that occurs has an effect caused. Because, after all, it is a physical teaching device the end the area of gravity is concerned, the uniform use of the same must relevant type of force the gravity pendulum release according to the invention already didactically distinguish themselves from heterogeneous solutions. What care the reaction-free release generally required, the instructional film "Human Momenta" by NASA (American Physics Teachers Association) clearly that a pulse-free and swirl-free release of a person in the spacecraft Skylab shows: this must be practically quasi-static will. The invention described here aims at the same. This includes the present pendulum solution naturally also includes the gravity sensor for optimal release.

Im folgenden werden verschiedene in den Figuren gezeigte Ausführungsbeispiele der Trägheits- oder Pendelauslösung dieser Erfindung näher erläutert.Various exemplary embodiments shown in the figures are described below the inertia or pendulum release of this invention explained in more detail.

Fig. 1, 2 und 3 zeigen Frontansichten von Fallgerätkopfausbildungen, Fig. 5 gibt eine Gesamtseitenansicht eines Fallgeräts.1, 2 and 3 show front views of drop device head designs, Fig. 5 gives an overall side view of a drop device.

Der Hauptbestandteil der Trägheitsauslösung für Fallkörper zum Freien Fall aus der Ruhe ist der Pendelbalken (1) , der zunächst den Fallkörper (5) trägt. Die Arretierung in Horizontallage muß plötzliche Freigabe des Balkens zulassen. Dies kann gemäß Fig. 1 mittels Klinke (3) und Stecher (14) durch Zug von Hand in Richtung (17) geschehen, wodurch die Entriegelung an der Schneide des Aufhängebocks (12) bewerkstelligt wird. Die Federn (15) und (16) sind lediglich für die Funktion dieser komfortablen, dem Schießsport entlehnten Verriegelung erforderlich, nicht etwa für das Pendel selbst, wie in Fig. 2 noch einmal verdeutlicht wird. Die dortige Auslösung erfolgt einfach durch Zurückziehen eines achsial in seiner Führungsbohrung (21 in Detail C) verschieblichen Stiftes (2a) mit achsensenkrecht überschliffener, scharfkantiger Stirnfläche aus dem scharfkantigen Schlitz (2) im Pendelbalken (1), der ausgangs an der glatten Wase (20 in Detail C) anliegt, solange der Stift (2a) in den Schlitz (2) hineinragt und den Pendelbalken (1) stützt. Wird er zurückgezogen, kann das Pendel frei um die Drehachse (3a) abwärts schwingen, womit auch der Fallkörper freigesetzt wird. Die Bohrung (3) ist weit und der Durchmesser der Achse (3a) klein genug, um dort die Pendelreibung so klein cu halten, daß sie mit einem unbedeutenden Bruchteil des Beschleunigungsüberschusses des pendelbalkens (1) kompensiert werden kann ebenso wie die Reibung an der glatten Halbnase (20), die die Reaktionskraft beim Zurückziehen des Stiftes (2a) aufnimmt.The main component of inertial release for falling bodies to the open air Fall from rest is the pendulum beam (1), which initially carries the falling body (5). The locking in the horizontal position must allow sudden release of the beam. This can be done according to Fig. 1 by means of pawl (3) and piercer (14) by pulling by hand Direction (17) done, whereby the unlocking at the cutting edge of the suspension bracket (12) is accomplished. The springs (15) and (16) are only for the function this comfortable lock, borrowed from shooting sports, is not required for example for the pendulum itself, as is illustrated again in FIG. The one there Triggering is done simply by retracting an axially in its guide hole (21 in detail C) displaceable pin (2a) with vertically ground, sharp-edged face from the sharp-edged slot (2) in the pendulum beam (1), the starting point is on the smooth bevel (20 in detail C) as long as the pin (2a) protrudes into the slot (2) and supports the pendulum beam (1). If he is withdrawn, the pendulum can swing freely about the axis of rotation (3a) downwards, which also causes the falling body is released. The bore (3) is wide and the diameter of the axis (3a) is small enough to keep the pendulum friction so small cu that it comes with an insignificant Fraction of the excess acceleration of the pendulum beam (1) can be compensated can as well as the friction on the smooth half-nose (20), which the reaction force when the pin (2a) is withdrawn.

Der verbleibende Beschleunigungsüberschuß des freien Pendel endes von praktisch immer noch 0,5 g0 wird endlich nahezu erschöpfend eliminiert mit dem Zusatzkörper (18),der im Schlitz (2) verschoben und festgeschraubt werden kann, um eine gegen Null gehende Relativbeschleunigung zwischen Unterstützungspunkt und Fallkörper und duit rückwirkungsfreien Start des Fallkörpers sicherzustellen.The remaining excess acceleration of the free pendulum end practically still 0.5 g0 is finally almost completely eliminated with the Additional body (18) that can be moved and screwed in the slot (2), by a relative acceleration between the support point and Falling body and duit to ensure reaction-free launch of the falling body.

In lusgangslage $t das Radialspiel des punktuell auf dem Pendel balken (1) aufliegenden Fallkörpers (5) durch den Rand der Führungsbohrung des Auslösesensors (6) für den Zeitmarkenfreigabeschalter gemäß DT 23 24 338 begrenzt.In the starting position $ t the radial play of the point on the pendulum beam (1) overlying falling body (5) through the edge of the guide hole of the release sensor (6) for the time stamp enable switch according to DT 23 24 338.

Während Fig. 1 und 2 die hochspannungsfeste Version von Fallkörperauslösung und Zeitmarkenfreigabeschalter zeigen, die sich für Funkenregistrierung eignet, wobei die Teile (1), (6) und (22) aus nichtleitendem Kunststoff bestehen und der Fallkörper gemäß Fig. 5 nach erfolgter Auslösung und damit synchronisierter Zeitmarkenfreigabe einen von der Hochspannungselektrode (27) und dem Metallpapierstreifen (26) gebildeten vertikalen Kondensator durchfällt und selbst seinen Ort aufschreibt, wenn nun periodisch die Elektrode (27) Hochspannung gegen den geerdeten Metallpapierstreifen (26) führt, die sich über den Fallkörper entlädt, zeigt Fig. 3 eine Niederspannungsversion für Anwendungen, bei denen der Körper (5) im Auslösekreis für die Zeitmarkengabe liegen kann. Die mit der Achse (3a)leitfähig verbundene leitfähige Schicht (4) auf der Oberseite des Pendelbalkens (1) bildet dabei mit dem Körper (5) einen rückwirkungsfreien, schwerkraftbetätigten Schalter, der beim Abfall des Pendels öffnet und zum Beispiel Signal aussendung aus einer Quelle (5a) triggert.While Fig. 1 and 2 show the high-voltage version of the falling body release and time stamp release switch, which is suitable for spark registration, the parts (1), (6) and (22) are made of non-conductive plastic and the falling body according to FIG time stamp release synchronized with it, a vertical capacitor formed by the high-voltage electrode (27) and the metal paper strip (26) fails and itself writes its location when the electrode (27) now periodically leads high voltage to the grounded metal paper strip (26), which is discharged via the falling body , Fig. 3 shows a low-voltage version for applications in which the body (5) in Trip circuit for the time stamping can be. The conductive layer (4) connected to the axis (3a) on the upper side of the pendulum beam (1) forms a reaction-free, gravity-operated switch with the body (5), which opens when the pendulum drops and, for example, sends a signal from a source (5a) triggers.

Die dynamischen Gesichtspunkte des physikalischen Pendels, die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegen, enthält in aller Kürze die Fig. 4. Fig. 4a (die auch wegbleiben kann) zeigt einen Balken auf zwei Stützen A und B, die sein Eigengewicht C je zur Hälfte aufnehmen. Der Stützenabstand sei gleich der Balkenlänge 1. Bei Entfernung der einen Stütze, r. B. A (Fig. 4b), bedingt das Cewichtsmoment Mom bezüglich B eine Winkelbeschleunigung (x, t) des abkippenden Balkens gemäß dem 2. Newtonschen Axiom für die Drehbewegung C m-gO-l Mom = J # = 1 . g0.1 , 2 2 m . 1² woraus sich mit dem Massenträgheitsmoment JB = - für den 3 homogenen Balken 3 die tangentiale infangabeschleunigung des freien Balkenendes oder Balkenpendelendes zu at (s - 1, t = 0) r -1 3 g0 2 ergibt. Den Verlauf der Anfangsbeschleunigung in Abhängigkeit vom Drehpunktsabstand x zeigt Fig. 4c. Der Trägheitsmittelpunkt II oder 2 Schwingungsmittelpunkt des Balkenpendels liegt bei x = - 1 3 L e e r s e i t eThe dynamic aspects of the physical pendulum that the The present invention is based on, in a nutshell, Fig. 4. Fig. 4a (which can also be left off) shows a beam on two supports A and B, which are Take up half of its own weight C. The distance between the supports is equal to the length of the beam 1. When removing one support, r. B. A (Fig. 4b), causes the Cewichtsmoment Mom with respect to B is an angular acceleration (x, t) of the tilting beam according to the 2. Newton's axiom for the rotary motion C m-gO-l Mom = J # = 1. g0.1, 2 2 m . 1² from which the mass moment of inertia JB = - for the 3 homogeneous bar 3 the tangential acceleration of the free end of the bar or the end of the bar pendulum to at (s - 1, t = 0) r -1 3 g0 2 results. The course of the initial acceleration in 4c shows the dependence on the pivot point distance x. The center of inertia II or 2 The center of oscillation of the bar pendulum is at x = - 1 3 L. e e r e i t e

Claims

Re: patent application p 27 26 975.6-52 from June 15, 1977 - self-registration Fall device with retroactive mechanical holding and release device iur Fallsorper to free fall from rest for the purpose of demarcation now more precise: self-registering Drop device with reaction-free inertia release ("pendulum release") of the falling body.

patent claims: 1 self-registration new drop device with purely gravity-operated - Falling body release by a physical pendulum (bar pendulum ") with adjustable Mass moment of inertia, characterized in that the pendulum has the shape of a slender Bar or knife (1), provided with a longitudinal slot (2) and at one end at (3) is fixed to the frame, for placing the falling body (5) at the free end deflected by 900 to the horizontal and to start the falling body by pressing a latch (13) or pulling a pin (2a) can suddenly be unlocked, whereupon it carries out a free turning descent under the effect of its own weight, in which the free pendulum ends as a result of the 2nd

Newton's axioms for the rotary motion purely due to its own weight an acceleration excess compared to that falling with the gravitational acceleration gO Has falling body (5), which by means of an additional body displaceable in the slot (2) (18) can be permanently set to a minimum value, the retroactive effect through Excludes suction or liability, taking advantage of the fact that inertia is in rotating systems is proportional to the square of the distance from the pivot point, while the weight moment increases linearly with the radius.

2 The self-registering case device according to claim (1), wherein the Moment of inertia of the pendulum beam via a set screw in the forehead of the free The end of the bar can be adjusted.