PL215488B1 - Przyrząd do badania przemian energii mechanicznej - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest przyrząd do badania przemian energii mechanicznej, mający zastosowanie w pracowniach fizycznych, zwłaszcza studenckich i szkolnych, do doświadczeń z mechaniki.

Przyrządy do badania przemian energii mechanicznej znane są z książki Tadeusza Dryńskiego. pt. „Doświadczenia pokazowe z fizyki”, wydanej przez Państwowe Wydawnictwo Naukowe w Warszawie w roku 1964. Pierwszy ze znanych przyrządów, nazywany kołem Maxwella, składa się z masywnego, metalowego koła osadzonego na poziomej osi. W pobliżu końców osi wykonane są otwory przechodzące wzdłuż jej średnicy, przez które przełożone są i przywiązane dolne końce dwóch pionowo poprowadzonych nici. Górne końce tych nici przywiązane zostały do poziomej belki.

Działanie pierwszego znanego przyrządu polega na tym, że nici nawija się ręcznie na oś w wyniku, czego koło podnosi się do góry i uzyskuje energię potencjalną ciężkości. Następnie, koło puszcza się swobodnie na skutek, czego nici odwijają się z osi a koło obraca się i porusza w dół. W wyniku tego, energia potencjalna ciężkości koła zmienia się w energię kinetyczną jego ruchu obrotowego i postępowego. Po osiągnięciu najniższego położenia, odpowiadającego całkowitemu rozwinięciu nici, koło ma maksymalną energię kinetyczną i poruszając się powoduje ponowne nawijanie się nici na oś. Skutkiem tego, koło podnosi się do góry a energia kinetyczna obu ruchów zmienia się w energię potencjalną aż do osiągnięcia maksymalnej wysokości, kiedy to energia kinetyczna staje się równa zero. Dalej opisane procesy powtarzają się, przy czym wskutek strat energii mechanicznej, spowodowanych oporami powietrza i tarciem wewnątrz nici, oba rodzaje energii maleją i zmniejsza się wysokość wznoszenia koła.

Drugi ze znanych z książki Tadeusza Dryńskiego przyrządów, nazywany wahadłem Galileusza, stanowi wahadło matematyczne, składające się z masywnej kuli zawieszonej na pionowej nici, której górny koniec jest przywiązany do poziomej belki. W pewnej odległości od górnego końca nici znajduje się, dotykająca jej pozioma poprzeczka ustawiona prostopadle do nici.

Działanie drugiego ze znanych przyrządów polega na tym. że nić wraz z kulą odchyla się o pewien kąt od pionu w płaszczyźnie prostopadłej do poprzeczki i puszcza swobodnie. W skutek odchylenia, kula uzyskuje energię potencjalną ciężkości, która po puszczeniu swobodnym, w wyniku ruchu kuli po łuku o promieniu równym długości nici w dół, zmienia się na energię kinetyczną. Energia ta jest maksymalna w najniższym położeniu kuli. kiedy to nić zaczyna dotykać poprzeczki i kula porusza się po łuku o mniejszym promieniu ku górze. Podczas tego ruchu energia kinetyczna kuli zmienia się ponownie na energię potencjalną ciężkości aż do momentu zatrzymania się kuli. W momencie zatrzymania się kuli znajduje się ona na takiej samej wysokości, z której została ona puszczona na początku. Świadczy to o całkowitej przemianie obu rodzajów energii przy pominięciu strat na opór powietrza i tarcie wewnątrz nici. Dalej opisane procesy powtarzają się, przy czym amplitudy ruchu kuli stopniowo maleją wyniku strat energii na wspomniane opory i tarcie.

Również w książce Richarda Manliffe Suttona, pt. ,,Demonstration Experiments in Physics'', wydanej przez, wydawnictwo McGraw-Hill Book Company, Inc. w Nowym Jorku i Londynie w 1938 roku opisane jest wahadło Galileusza o identycznej w budowie i działaniu, jak wahadło opisane przez Tadeusza Dryńskiego.

Inny, znany przyrząd do badania przemian energii mechanicznej, opisany jest przez Zygmunta Przenicznego w artykule, pt. „Magnetyczne koło Maxwella. opublikowanym w zbiorze materiałów konferencyjnych, pt. „Środki dydaktyczne w nauczaniu fizyki”, wydanym w ramach „Zeszytów Naukowych Uniwersytetu Łódzkiego, Nauki Matematyczno-Przyrodnicze, Folia Physica. Seria II, Nr 26, wydanym przez Wydawnictwo Uniwersytetu Łódzkiego w Łodzi w 1979 roku. Przyrząd ten składa się z masywnego koła, wykonanego z materiału nieferromagnetycznego, osadzonego na poziomej, nieferromagnetycznej osi, przy czym końce osi zaopatrzone są w osadzone na niej współosiowo walcowe magnesy trwałe. Magnesy te wraz z osią i kołem przyłożone są do dwóch równoległych pionowych prowadnic wykonanych z materiału ferromagnetycznego. Dolne końce prowadnic są zaokrąglone a górne końce przymocowane są do poziomej nieferromagnetycznej belki.

Działanie tego znanego przyrządu polega na tym, że magnesy znajdują się w stałym kontakcie z prowadnicami, a koło umieszczane jest początkowo w górnej części prowadnic skutkiem, czego uzyskuje energię potencjalną ciężkości. Następnie, koło puszczane jest swobodnie i stacza się po prowadnicach nabywając energii kinetycznej ruchu obrotowego kosztem energii potencjalnej ciężkości. Po dojściu do najniższego położenia koło ma maksymalną energię kinetyczną i zerową energię potencjalną ciężkości. W tym położeniu koło przetacza się przez zaokrąglone końce prowadnic na drugą ich stronę i wtacza ku górze, nabywając energii potencjalnej ciężkości kosztem energii kinePL 215 488 B1 tycznej. Po dojściu do najwyższego położenia opisane procesy powtarzają się, przy czym wskutek zachodzących strat energii mechanicznej w wyniku oporu powietrza i tarcia wysokość wznoszenia się koła ulega zmniejszeniu.

Jeszcze inny, znany przyrząd do badania przemian energii mechanicznej opisany został przez Jodi i Roy'a McCullough w książce, pt. „The Role of Toys in Teaching Physics, wydanej przez American Association of Physics Teachers w Madison w 2000 roku. Przyrząd ten składa się z dwóch kół osadzonych na wspólnej osi, na którą nawinięta jest nić, przy czym dolny koniec nici jest przywiązany do osi a górny koniec może być przytrzymywany ręką.

Działanie tego przyrządu polega na tym, że górny koniec nici trzymany jest jedną ręką a nić nawija się na oś drugą ręką w wyniku, czego, koła wraz z osią zyskują energię potencjalną ciężkości. Następnie koła puszcza się swobodnie i nić odwija się z osi a w skutek tego koła i oś nabywają energii kinetycznej kosztem energii potencjalnej ciężkości. Dalej działanie tego przyrządu jest takie samo, jak działanie koła Maxwella, opisanego przez Tadeusza Dryńskiego z tą różnicą, że straty energii mechanicznej mogą być kompensowane energią nadawaną przez ruchy w kierunku pionowym ręki trzymającej nić.

Z kolei w książce Julien'a Sprott'a, pt. „Physics Demonstrations. A Sourcebook for Teacher of Physics', wydanej przez wydawnictwo The University of Wisconsin Press w Madison w 2006 roku ujawnione jest koło Maxwella identyczne, jak w książce Tadeusza Dryńskiego.

Znane jest jeszcze z podręcznika Georgea D. Feriera i Francisa Andersena, pt., A Demonstrations Handbook for Physics”, wydanego przez American Association of Physics Teachers w Madison w 1996 roku wahadło Galileusza, nazywane zatrzymanym wahadłem, o identycznej budowie i działaniu, jak wahadło Galileusza opisane przez Tadeusza Dryńskiego.

Wszystkie znane z opisanych w stanie techniki przyrządy do badania przemian energii mechanicznej mają tę niekorzystną cechę, że nie pozwalają pokazać przemiany energii potencjalnej ciężkości na energię kinetyczną ruchu drgającego. Ponadto, nici stosowane w kole Maxwella często nierównomiernie nawijają się na oś, co powoduje nieprawidłowe działanie przyrządu.

Istota rozwiązania według wynalazku polega na tym, że przyrząd do badania przemian energii mechanicznej składa się z prostopadłościennego lub walcowego klocka, zaopatrzonego w kolec i połączonego śrubową sprężyną z pierścieniem z wykonanym w nim mimośrodowo otworem. W pierścieniu osadzony jest magnes trwały z biegunami zorientowanymi wzdłuż promienia pierścienia. Pierścień nałożony jest na pionową rurę, zawierającą wewnątrz ferromagnetyczną spiralę śrubową. Dolny koniec rury osadzony jest w podstawie, zaś na górny koniec rury nałożony został pierścień zabezpieczający. Wszystkie części przyrządu, oprócz spirali, sprężyny i magnesu, wykonane są z materiałów nieferromagnetycznych, a otwór w pierścieniu ma średnicę nieco większą od średnicy zewnętrznej rury.

Zasada działania przyrządu do badania przemian energii mechanicznej według wynalazku polega na tym, że początkowo klocek wraz z pierścieniem przesuwa się ręcznie do górnej części rury i w tej pozycji pierścień zatrzymuje się na rurze w położeniu ukośnym. Następnie, chwytając za klocek przechyla się go wraz z pierścieniem w wyniku, czego klocek wykonuje wahnięcie a kolec uderza o rurę i poprzez odkształconą w ten sposób sprężynę przechyla się również pierścień oraz opada nieco wzdłuż rury. Dalej, przechyły klocka i pierścienia oraz odkształcenia sprężyny i uderzenia kolca o rurę powtarzają się samoczynnie. Klocek wraz z pierścieniem poruszają się po rurze w dół, przy czym na skutek oddziaływania magnesu trwałego z umieszczoną wewnątrz rury ferromagnetyczną spiralą pierścień i klocek wprawiane są w ruch po linii śrubowej.

Zaletą przyrządu do badania przemian energii mechanicznej według wynalazku jest jednoczesna zamiana energii potencjalnej ciężkości na energię kinetyczną ruchu postępowego w dół, ruchu obrotowego wokół rury oraz ruchu drgającego, przechylającego się klocka i pierścienia. Dodatkową zaletą przyrządu jest jego niezawodność działania.

Przedmiot wynalazku pokazany jest w przykładzie wykonania na rysunku, na którym Fig. 1 przedstawia widok przyrządu z boku z częściowymi przekrojami przez pierścień, podstawę i pierścień zabezpieczający.

Przyrząd do badania przemian energii mechanicznej, składa się z prostopadłościennego lub walcowego klocka 1, zaopatrzonego w kolec 2 i połączonego śrubową sprężyną 3 z pierścieniem 4 z wykonanym w nim mimośrodowo otworem, w którym osadzony jest magnes trwały 5 z biegunami zorientowanymi wzdłuż promienia pierścienia Pierścień nałożony jest na pionową rurę 6, zawierającą wewnątrz ferromagnetyczną spiralę śrubową 7 a dolny koniec rury osadzony jest w podstawie 8, zaś na górny koniec rury nałożony został pierścień zabezpieczający 9, ponadto wszystkie części przyrzą4

PL 215 488 B1 du, oprócz spirali 7 sprężyny 3 i magnesu 5, wykonane są z materiałów nieferromagnetycznych a otwór w pierścieniu ma średnicę nieco większą od średnicy zewnętrznej rury 6.

Zasada działania przyrządu do badania przemian energii mechanicznej według wynalazku polega na tym, że początkowo klocek 1 wraz z pierścieniem 4 przesuwa się ręcznie do górnej części rury 6 i w tej pozycji pierścień zatrzymuje się na rurze w położeniu ukośnym. Następnie, chwytając za klocek 1 przechyla się go wraz z pierścieniem 4 w wyniku, czego klocek wykonuje wahnięcie a kolec 2 uderza o rurę 6 i poprzez odkształconą w ten sposób sprężynę 3 przechyla się również pierścień oraz opada nieco wzdłuż rury. Dalej, przechyły klocka i pierścienia oraz odkształcenia sprężyny i uderzenia kolca o rurę powtarzają się samoczynnie a w wyniku, tego klocek wraz z pierścieniem poruszają się po rurze w dół, przy czym na skutek oddziaływania magnesu trwałego 5 z umieszczoną wewnątrz rury ferromagnetyczną spiralą 7 pierścień i klocek wprawiane są w ruch po linii śrubowej.

Zastrzeżenie patentowe

Claims (1)

1. Zastrzeżenie patentowe

   Przyrząd do badania przemian energii mechanicznej, znamienny tym, że składa się z prostopadłościennego lub walcowego klocka (1) zaopatrzonego w kolec (2) i połączonego śrubową sprężyną (3) z pierścieniem (4) z wykonanym w nim mimośrodowo otworem, w którym osadzony jest magnes trwały (5) z biegunami zorientowanymi wzdłuż promienia pierścienia, przy czym pierścień nałożony jest na pionową rurę (6), zawierającą wewnątrz ferromagnetyczną spiralę śrubową (7) a dolny koniec rury osadzony jest w podstawie (8), zaś na górny koniec rury nałożony został pierścień zabezpieczający (9), ponadto wszystkie części przyrządu, oprócz spirali (7), sprężyny (3) i magnesu (5), wykonane są z materiałów nieferromagnetycznych a otwór w pierścieniu ma średnicę nieco większą od średnicy zewnętrznej rury (6).