PL236205B1 - Wahadło Wilberforce’a - Google Patents

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest Wahadło Wilberforce'a, mające zastosowanie w laboratoriach fizycznych do badania przekazywania energii drgań chaotycznych o charakterze deterministycznym. Wahadło Wilberforce'a zawiera podstawę (1) z pionowym słupkiem (2), połączonym z wysięgnikiem (3). Do wysięgnika przymocowany został górny koniec sprężyny (4) w kształcie spirali śrubowej o średnicy zmieniającej się wraz z odległością od punktu zawieszenia. Na dolnym końcu sprężyny (4) zamocowany jest łącznik (5), przez który przechodzi pozioma poprzeczka (6) oraz pionowy pręcik (7), połączony z dolnym końcem sprężyny (4). Do pręcika (7) przymocowany jest magnes trwały (8), zaś dolny koniec pręcika (7) połączony został z odcinkiem giętkiego przewodu (9) i drugi koniec tego przewodu połączony jest z jedną końcówką kontaktronu (10), przymocowanego obok magnesu (8) do wspornika (11), osadzonego na podstawie (1). Na poprzeczkę (6) nasunięte są symetrycznie dwa jednakowe obciążniki (14) i przymocowane do niej śrubami (15). Na końce poprzeczki wkręcane są wskaźniki położenia, składające się z obudowy (16) z gwintowaną tulejką (17) i przezroczystym okienkiem (18), w której znajdują się bateria guziczkowa, mikrowyłącznik i dioda elektroluminescencyjna.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest Wahadło Wilberforce’a, mające zastosowanie w laboratoriach fizycznych do badania przekazywania energii drgań chaotycznych o charakterze deterministycznym oraz do badania siły elektrodynamicznej.

Znane Wahadło Wilberforce’a zostało opisane w książce Tadeusza Dryńskiego, zatytułowanej „Doświadczenia pokazowe z fizyki”, wydanej przez Państwowe Wydawnictwo Naukowe w Warszawie w 1964 r. Wahadło to zawiera sprężynę w kształcie spirali o stałej średnicy na całej długości, wykonaną z drutu stalowego i zawieszoną pionowo za górny koniec. Dolny koniec sprężyny zaopatrzony jest w poziomą poprzeczkę, przymocowaną radialnie w połowie jej długości. Na każdej z połówek poprzeczki znajduje się ciężarek, którego odległość od środka poprzeczki może być zmieniana i ustalana za pomocą wkrętu mocującego ciężarek do poprzeczki.

Zasada działania znanego wahadła Wilberforce’a polega na tym, że sprężynę chwyta się za dolny koniec, pociąga w dół i puszcza swobodnie, wprawiając w ten sposób w drgania harmoniczne podłużne. Jeżeli odległość ciężarków od środka poprzeczki jest odpowiednio dobrana, tak że częstotliwość drgań skrętnych równa się częstotliwości drgań podłużnych, to po pewnym czasie drgania podłużne zanikną, a ich energia zostanie przekazana drganiom skrętnym. Następnie energia drgań skrętnych znowu zostanie przekazana drganiom podłużnym. Dalej procesy przekazu energii między obu rodzajami drgań powtarzają się, aż do ich całkowitego zaniku wskutek dyssypacji energii w wyniku oporów ruchu.

Takie samo i tak samo działające wahadło Wilberforce’a znane jest z książki autorstwa Szczepana Szczeniowskiego, zatytułowanej „Fizyka doświadczalna, Część I, mechanika i akustyka”, wydanej przez Państwowe Wydawnictwo Naukowe w Warszawie w 1972 r.

Istota rozwiązania według wynalazku polega na tym, że wahadło Wilberforce’a zawiera podstawę z przymocowanym do niej w pobliżu brzegu pionowym słupkiem, którego wierzchołek połączony jest z poziomym wysięgnikiem. Do wysięgnika przymocowany został górny koniec sprężyny w kształcie spirali śrubowej o średnicy zmieniającej się wraz z odległością od punktu zawieszenia, zwiniętej ze sprężystego, nieferromagnetycznego drutu, wykonanego korzystnie z brązu berylowego, albo z brązu fosforowego. Na dolnym końcu sprężyny zamocowany jest łącznik, przez który przechodzi radialnie pozioma poprzeczka oraz pionowy pręcik, połączony z dolnym końcem sprężyny. Do pręcika przymocowany jest niewielki magnes trwały, zaś dolny koniec pręcika połączony został z odcinkiem giętkiego przewodu w kształcie łuku, korzystnie splecionego z cienkich drucików miedzianych i drugi koniec tego przewodu połączony jest z jedną końcówką kontaktronu, przymocowanego obok magnesu do wspornika, osadzonego na podstawie. Druga końcówka kontaktronu przyłączona została do źródła zasilania o stałym napięciu za pomocą przewodu zasilającego, poprowadzonego wzdłuż podstawy, zaś drugi przewód zasilający poprowadzony jest wzdłuż podstawy, słupka oraz wysięgnika i połączony z górnym końcem sprężyny. Na poprzeczkę nasunięte są symetrycznie dwa jednakowe obciążniki i pr zymocowane do niej śrubami, zaś na końce poprzeczki wkręcane są wskaźniki położenia, składające się z obudowy z gwintowaną tulejką i przezroczystym okienkiem, w której znajduje się bateria guziczkowa, połączona szeregowo poprzez mikrowyłącznik z diodą elektroluminescencyjną, umieszczoną naprzeciw przezroczystego okienka.

Ponadto podstawa, słupek, wysięgnik, łącznik, poprzeczka, wspornik i obudowa wskaźnika położenia wykonane są materiału elektroizolacyjnego, korzystnie z tekstolitu, zaś pręcik, obciążniki i śruby z metalu nieferromagnetycznego, wykonane są korzystnie z mosiądzu.

Zaletami wahadła Wilberforce’a według wynalazku są umożliwienie badania wzajemnego przekazu energii między podłużnymi i skrętnymi drganiami chaotycznymi o charakterze deterministyczn ym oraz możliwość filmowej rejestracji amplitud tych drgań.

Wahadło Wilberforce’a pokazane jest w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia jego widok z boku, zaś fig. 2 przedstawia obudowę wskaźnika położenia i schemat połączeń jego elementów.

Wahadło Wilberforce’a zawiera podstawę 1 z przymocowanym do niej w pobliżu brzegu pionowym słupkiem 2, którego wierzchołek połączony jest z poziomym wysięgnikiem 3. Do wysięgnika przymocowany został górny koniec sprężyny 4 w kształcie spirali śrubowej o średnicy zmieniającej się wraz z odległością od punktu zawieszenia, zwiniętej ze sprężystego, nieferromagnetycznego drutu, wykonanego korzystnie z brązu berylowego, albo z brązu fosforowego. Na dolnym końcu sprężyny 4 zamocowany jest łącznik 5, przez który przechodzi radialnie pozioma poprzeczka 6 oraz pionowy pręcik 7, połączony z dolnym końcem sprężyny 4. Do pręcika 7 przymocowany jest niewielki magnes trwały 8,

PL 236 205 B1 zaś dolny koniec pręcika 7 połączony został z odcinkiem giętkiego przewodu 9 w kształcie łuku, korzystnie splecionego z cienkich drucików miedzianych i drugi koniec tego przewodu połączony jest z jedną końcówką kontaktronu 10, przymocowanego obok magnesu 8 do wspornika 11, osadzonego na podstawie 1. Druga końcówka kontaktronu 10 przyłączona została do źródła zasilania o stałym napięciu U za pomocą przewodu zasilającego 12, poprowadzonego wzdłuż podstawy 1, zaś drugi przewód zasilający 13 poprowadzony jest wzdłuż podstawy 1, słupka 2 oraz wysięgnika 3 i połączony z górnym końcem sprężyny 4. Na poprzeczkę 6 nasunięte są symetrycznie dwa jednakowe obciążniki 14 i przymocowane do niej śrubami 15, zaś na końce poprzeczki wkręcone są wskaźniki położenia, składające się z obudowy 16 z gwintowaną tulejką 17 i przezroczystym okienkiem 18. W obudowie 16 znajduje się bateria guziczkowa B, połączona szeregowo poprzez mikrowyłącznik W z diodą elektroluminescencyjną D, umieszczoną naprzeciw przezroczystego okienka 18. Ponadto: podstawa 1, słupek 2, wysięgnik 3, łącznik 5, poprzeczka 6, wspornik 11 i obudowa wskaźnika położenia 16 wykonane są materiału elektroizolacyjnego, korzystnie z tekstolitu zaś pręcik 7, obciążniki 14 i śruby 15 wykonane zostały z metalu nieferromagnetycznego, korzystnie z mosiądzu.

Zasada działania wahadła Wilberforce’a polega na tym, że w chwili początkowej wahadło jest w spoczynku i magnes 8 znajduje się naprzeciw kontaktronu 10 zaś styczki kontaktronu są przez to zwarte i obwód wahadła jest zamknięty. Włączenie napięcia zasilania U powoduje przepływ prądu elektrycznego przez sprężynę 4. Ponieważ w zwojach tej sprężyny prąd płynie w tym samym kierunku, to zwoje się przyciągają i sprężyna 4 ulega skróceniu, przy czym jej dolny koniec wraz z pręcikiem 7 i magnesem 8 unoszą się ku górze. Skutkiem tego magnes 8 oddala się od kontaktronu 10 i jego styczki zostają rozwarte. Wtedy prąd elektryczny przestaje płynąc przez sprężynę 4 i jej zwoje opadają w dół pod wpływem ich ciężaru i sił sprężystości. Magnes 8 ponowie znajduje się naprzeciw kontaktronu 10 i powoduje zamknięcie obwodu wahadła. Dalej opisane zjawiska powtarzają się i sprężyna 4 wykonuje ciągłe drgania. Ponieważ średnica zwojów sprężyny nie jest stała, to sprężyna ma charakterystykę nieliniową i jej drgania stają się chaotyczne. Na zwoje drgającej sprężyny 4 oprócz sił osiowych działają też siły styczne, spowodowane nachyleniem zwojów do poziomu. Siły te wymuszają drgania skrętne sprężyny. Przy obwiednio dobranych położeniach obciążników 14, na poprzeczce 6 częstotliwość własna drgań skrętnych jest równa częstotliwości własnej drgań podłużnych. Wtedy dochodzi do przekazywania energii drgań podłużnych do poprzeczki 6 z obciążnikami 14 i wzrostu amplitudy drgań skrętnych, tak jak w przypadku rezonansu. Po osiągnięciu maksymalnej amplitudy drgań skrętnych odbywa się przekazywanie energii w odwrotnym kierunku i zachodzi wzrost amplitudy drgań podłużnych. Żeby umożliwić rejestrację filmową amplitud drgań, zaciemnia się pomieszczenie, w którym znajduje wahadło Wilberforce’a i włącza mikrowyłącznik W, co powoduje świecenie diody elektroluminescencyjnej D. Światło tej diody wychodzi przez okienko 18 i umożliwia dokładną rejestrację położenia końca poprzeczki. Wykonanie sprężyny 4 z drutu nieferromagnetycznego zapobiega jej trwałemu namagnesowaniu, które powodowałoby zaburzenia ruchu wahadła.

Claims (4)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Wahadło Wilberforce’a mające podstawę z przymocowanym do niej w pobliżu brzegu pionowym słupkiem, którego wierzchołek połączony jest z poziomym wysięgnikiem, znamienne tym, że do wysięgnika (3) przymocowany został górny koniec sprężyny (4) w kształcie spirali śrubowej o średnicy zmieniającej się wraz z odległością od punktu zawieszenia i na dolnym końcu sprężyny (4) zamocowany jest łącznik (5), przez który przechodzi radialnie pozioma poprzeczka (6) oraz pionowy pręcik (7), połączony z dolnym końcem sprężyny (4), przy czym do pręcika (7) przymocowany jest niewielki magnes trwały (8), zaś dolny koniec pręcika (7) połączony został z odcinkiem giętkiego przewodu (9) w kształcie łuku, korzystnie splecionego z cienkich drucików miedzianych i drugi koniec tego przewodu połączony jest z jedną końcówką kontaktronu (10), przymocowanego obok magnesu (8) do wspornika (11), osadzonego na podstawie (1), a ponadto druga końcówka kontaktronu (10) przyłączona została do źródła zasilania o stałym napięciu (U) za pomocą przewodu zasilającego (12) poprowadzonego wzdłuż podstawy (1), zaś drugi przewód zasilający (13) poprowadzony jest wzdłuż podstawy (1), słupka (2) oraz wysięgnika (3) i połączony z górnym końcem sprężyny (4), a oprócz tego na poprzeczkę (6) nasunięte są symetrycznie dwa jednakowe obciążniki (14) i przymocowane do niej śrubami (15), zaś na końce poprzeczki wkręcane są wskaźniki położenia składające

   PL 236 205 B1 się z obudowy (16) z gwintowaną tulejką (17) i przezroczystym okienkiem (18), w której znajduje się bateria guziczkowa (B), połączona szeregowo poprzez mikrowyłącznik (W) z diodą elektroluminescencyjną (D), umieszczoną naprzeciw przezroczystego okienka (18).
2. 2. Wahadło Wilberforce’a według zastrz. 1, znamienne tym, że sprężyna (4) wykonana jest ze sprężystego, nieferromagnetycznego drutu, korzystnie z brązu berylowego, albo z brązu fosforowego.
3. 3. Wahadło Wilberforce’a według zastrz. 1, znamienne tym, że podstawa (1), słupek (2), wysięgnik (3), łącznik (5), poprzeczka (6), wspornik (11) i obudowa wskaźnika położenia (16), wykonane są materiału elektroizolacyjnego, korzystnie z tekstolitu.
4. 4. Wahadło Wilberforce’a według zastrz. 1, znamienne tym, że pręcik (7), obciążniki (14) i śruby (15) wykonane są z metalu nieferromagnetycznego, korzystnie z mosiądzu.