PL248768B1 - Przyrząd do badania drgań chaotycznych podczas pływania - Google Patents

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest przyrząd do badania drgań chaotycznych podczas pływania. Przyrząd do badania drgań chaotycznych podczas pływania zawiera naczynie (1) w kształcie prostopadłościanu o podstawie kwadratowej, zamykane szczelnie wciskaną od góry pokrywą (2), w kształcie kwadratu, mającą przyklejony do niej od góry uchwyt (3) w kształcie walca, przy czym naczynie (1), pokrywa (2) i uchwyt (3) są wykonane z materiału przezroczystego. Naczynie (1) jest ustawione na rdzeniu elektromagnesu, w kształcie prostopadłościanu o podstawie kwadratowej, przyklejonym do dna naczynia (1) i rdzeń jest wykonany z materiału ferromagnetycznego. Na rdzeń jest nałożony karkas (5) z nawiniętym na nim uzwojeniem (6), otoczonym cienkościenną osłoną (7), przylegającą do uzwojenia (6), przy czym końcówki uzwojenia (6) przechodzą przez otwory w osłonie (7) i są przyłączone do zasilacza impulsowego. Rdzeń jest przyklejony do podstawy (9) w kształcie prostokątnej płyty, przy czym karkas (5), osłona (7) i podstawa przyrządu (9) są wykonane z materiału elektroizolacyjnego i nieferromagnetycznego. W podstawie (9) naprzeciw osi symetrii bocznych ścian naczynia (1) są osadzone na wcisk dolne końce pionowych prętów (10, 11) o przekroju poprzecznym kołowym i na górnych końcach prętów (10, 11) są osadzone na wcisk poziome tulejki (12, 13), przy czym osie tulejek (12, 13) znajdują się naprzeciw środków ścian bocznych naczynia (1) i do tulejek (12, 13) są wsunięte kamery (14, 15) z matrycami CCD.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest przyrząd do badania drgań chaotycznych podczas pływania, mający zastosowanie w laboratoriach naukowych, zwłaszcza fizycznych oraz do celów edukacyjnych.

Z artykułu autorstwa Stanisława Bednarka, opublikowanego w 2000 r. w czasopiśmie „Postępy Fizyki, Dwumiesięcznik Polskiego Towarzystwa Fizycznego”, Tom 51, Zeszyt 5, s. 256-260 jest znany przyrząd do badania drgań chaotycznych, nazywany wahadłem Van der Pola. Znany przyrząd składa się z kulki stalowej z przelotowym otworem, skierowanym wzdłuż jej średnicy, przez który przechodzi cienka i wiotka nić zakończona od dołu węzłem, zabezpieczającym nić przed wysunięciem z tego otworu. Górny koniec nici jest przywiązany do poziomego ramienia wspornika w kształcie litery C, którego dolne ramię jest przymocowane do poziomej podstawy w kształcie walca, wykonanej z tworzywa sztucznego. Wewnątrz tej podstawy znajduje się magnes trwały w kształcie pierścienia, umieszczony poziomo, wykonany ze spieku ferrytowego i namagnesowany w kierunku pionowym. Skutkiem tego kulka umieszczona na nici jest zawieszona nad magnesem. Ponadto kulka znajduje się w niejednorodnym polu magnetycznym, wytwarzany przez ten magnes i zajmuje położenie równowagi, w którym indukcja pola magnetycznego ma największą wartość. Po ręcznym wychyleniu kulki z położenia równowagi, kulka wykonuje drgania wzdłuż linii krzywej o skomplikowanym kształcie. Podczas tych drgań występują cechy chaosu deterministycznego, m.in. kulka porusza się po zbliżonych do siebie torach, nazywanych dziwnymi atraktorami Lorenza. Drgania kulki są słabo tłumione i po pewnym czasie kulka zatrzymuje się w położeniu równowagi. Występowanie chaosu deterministycznego podczas tych drgań jest spowodowane nieliniową zależnością od współrzędnych składowej siły kierującej, pochodzącej od pola magnetycznego i powodującej drgania stalowej kulki.

Takie samo i tak samo działające wahadło Van der Pola jest znane z rozdziału podręcznika zatytułowanego „Chaos deterministyczny”, stanowiącego część podręcznika pod tytułem „Fizyka współczesna” i zamieszczonego na stronie internetowej Wydziału Fizyki Technicznej i Matematyki Stosowanej Politechniki Gdańskiej pod adresem https:www.ftims.pg.edu.pl. Ponadto z cytowanej strony internetowej jest znane wahadło chaotyczne, składające się z kątownika równoramiennego, osadzonego na poziomej osi przechodzącej prostopadle przez jedno z jego ramion umieszczone poziomo, przy czym oś przechodzi w połowie długości tego ramienia. Z końcem tego ramienia jest połączony za pomocą drugiej osi, umieszczonej równolegle do osi poprzedniej płaskownik, zwisający pionowo i mający takie same wymiary, jak pionowe ramię kątownika. Dzięki temu położenie równowagi kątownika jest poziome, a położenie równowagi płaskownika pionowe. Zasada działania tego wahadła polega na tym, że kątownik zostaje odchylony ręcznie od poziomu, a płaskownik odchylony ręcznie od pionu i wtedy płaskownik wykonuje drgania chaotyczne wokół swojego położenia równowagi.

Ponadto ze strony internetowej o adresie https:www.pl.alieexpress.com jest znane wahadło chaotyczne, zawierające cztery obręcze o różnych średnicach, umieszczone jedna wewnątrz drugiej i połączone ze sobą obrotowo za pomocą osi i czopów, przy czym obręcze o mniejszych średnicach znajdują się wewnątrz obręczy o większych średnicach i do każdej obręczy jest przymocowana kulka. Największa obręcz może obracać się w łożyskach dwóch wsporników, przymocowanych do podstawy w kształcie walca, w której znajduje się generator samodławny, zasilany z baterii. Ponadto, do części największej obręczy, znajdującej się najbliżej podstawy, został przymocowany magnes trwały. Zasada działania tego wahadła polega na tym, że załącza się generator i odchyla ręcznie od pionu obręcz o największej średnicy. To powoduje, że w wyniku oddziaływania obręczy ze sobą wykonują one drgania chaotyczne. Te drgania są niegasnące w wyniku ich pobudzania przez generator samodławny. Pobudzanie drgań zachodzi poprzez oddziaływanie generatora samodławnego impulsem pola magnetycznego na magnes trwały, przymocowany do największej obręczy w czasie przechodzenia tego magnesu nad generatorem.

Istota rozwiązania według wynalazku polega na tym, że przyrząd do badania drgań chaotycznych podczas pływania zawiera naczynie w kształcie prostopadłościanu o podstawie kwadratowej, zamykane szczelnie wciskaną od góry pokrywą, w kształcie kwadratu, mającą przyklejony do niej od góry uchwyt w kształcie walca, przy czym naczynie, pokrywa i uchwyt są wykonane z materiału przezroczystego, korzystnie z polimetakrylanu metylu. Naczynie jest ustawione na rdzeniu elektromagnesu, w kształcie prostopadłościanu o podstawie kwadratowej, przyklejonym do dna naczynia i rdzeń jest wykonany z materiału ferromagnetycznego o dużej przenikalności magnetycznej, magnetycznie miękkiego, korzystnie z żelaza chemicznie czystego. Na rdzeń jest nałożony karkas z nawiniętym na nim uzwojeniem, otoczonym cienkościenną osłoną, przylegającą do uzwojenia, przy czym końcówki uzwojenia przechodzą przez otwory w osłonie i są przyłączone do zasilacza impulsowego. Rdzeń jest przyklejony do podstawy w kształcie prostokątnej płyty, przy czym karkas, osłona i podstawa przyrządu są wykonane z materiału elektroizolacyjnego i nieferromagnetycznego, korzystnie z tekstolitu. W podstawie naprzeciw osi symetrii bocznych ścian naczynia są osadzone na wcisk dolne końce dwóch pionowych prętów o przekroju poprzecznym kołowym i na górny końcu każdego z tych prętów jest osadzona na wcisk pozioma tulejka, przy czym osie tulejek znajdują się naprzeciw środków ścian bocznych naczynia i do każdej z tulejek jest wsunięta kamera z matrycą CCD, skierowana obiektywem w stronę środka ściany bocznej naczynia i przyłączona przewodami do komputera osobistego. Naczynie jest wypełnione częściowo przezroczystą cieczą o małej lepkości, korzystnie alkoholem etylowym, w której pływa częściowo zanurzony pływak, mający dwie płaskie prostopadłe do siebie pionowe ściany boczne, natomiast trzecia ściana pływaka, zwrócona w stronę obiektywów kamer ma kształt zakrzywionej powierzchni wypukłej, korzystnie fragmentu powierzchni paraboloidy obrotowej, zwróconej węższą stroną ku górze i krawędzie pływaka są zaokrąglone, przy czym w pływaku znajduje się cylindryczny, nieprzelotowy kanał, skierowany pionowo i otwarty od dołu, do którego jest wciśnięty magnes trwały w kształcie walca, namagnesowany w kierunku osiowym i wykonany z materiału o dużej remanencji magnetycznej, korzystnie ze spieku żelaza, neodymu i boru, pokrytego ochronną warstwą niklu. Średnia gęstość pływaka wraz magnesem jest równa 50% gęstości cieczy i pływak jest wykonany ze styropianu, korzystnie w kolorze białym i zaopatrzony we wskaźnik położenia w kształcie kropki namalowanej czarną farbą na zakrzywionej powierzchni w połowie wysokości pływaka.

Główną zaletą rozwiązania jest nowa funkcjonalność, pozwalająca na wykrycie i badanie drgań chaotycznych, które pojawiają się podczas pływania ciała częściowo zanurzonego w cieczy i ograniczonego niesymetryczną powierzchnią boczną, mającą kształt krzywoliniowy. Dodatkowymi zaletami rozwiązania są prosta konstrukcja i niezawodność działania.

Przedmiot wynalazku jest pokazany w przykładzie wykonania i na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia widok przyrządu z góry, fig. 2 jest jego przekrojem podłużnym płaszczyzną A-A, fig. 3 pokazuje przekrój poprzeczny przyrządu płaszczyzną B-B, zaś fig. 4 stanowi jego widok z przodu, natomiast fig. 5 pokazuje widok przyrządu z boku.

Przyrząd do badania drgań chaotycznych podczas pływania zawiera naczynie 1 w kształcie prostopadłościanu o podstawie kwadratowej, zamykane szczelnie wciskaną od góry pokrywą 2, w kształcie kwadratu, mającą przyklejony do niej od góry uchwyt 3 w kształcie walca. Naczynie 1, pokrywa 2 i uchwyt 3 są wykonane z polimetakrylanu metylu. Naczynie 1 jest ustawione na rdzeniu elektromagnesu 4, w kształcie prostopadłościanu o podstawie kwadratowej, przyklejonym do dna naczynia 1. Rdzeń 4 jest wykonany z żelaza chemicznie czystego. Na rdzeń 4 jest nałożony karkas 5 z nawiniętym na nim uzwojeniem 6, otoczonym cienkościenną osłoną 7, przylegającą do uzwojenia 6, przy czym końcówki 8 uzwojenia 6 przechodzą przez otwory w osłonie 7 i są przyłączone do zasilacza impulsowego. Rdzeń 4 jest przyklejony do podstawy 9 w kształcie prostokątnej płyty, przy czym karkas 5, osłona 7 i podstawa przyrządu 9 są wykonane z tekstolitu. W podstawie 9 naprzeciw osi symetrii bocznych ścian naczynia 1 są osadzone na wcisk dolne końce pionowych prętów 10, 11 o przekroju poprzecznym kołowym i na górnych końcach prętów 10, 11 są osadzone na wcisk poziome tulejki 12, 13, przy czym osie tulejek 12, 13 znajdują się naprzeciw środków ścian bocznych naczynia 1 i do tulejek 12, 13 są wsunięte kamery 14, 15 z matrycami CCD, skierowane obiektywami w stronę środków ścian bocznych naczynia 1 i przyłączone przewodami 16, 17 do komputera osobistego PC. Naczynie 1 jest wypełnione częściowo przezroczystą cieczą 18, którą stanowi alkohol etylowy, w której pływa częściowo zanurzony pływak 19, mający dwie płaskie prostopadłe do siebie pionowe ściany boczne. Trzecia ściana pływaka 19, zwrócona w stronę obiektywów kamer 14, 15 ma fragment powierzchni paraboloidy obrotowej, zwróconej węższą stroną ku górze i krawędzie pływaka 19 są zaokrąglone, przy czym w pływaku 19 znajduje się cylindryczny, nieprzelotowy kanał, skierowany pionowo i otwarty od dołu, do którego jest wciśnięty magnes trwały 20 w kształcie walca, namagnesowany w kierunku osiowym i wykonany ze spieku żelaza, neodymu i boru, pokrytego ochronną warstwą niklu. Średnia gęstość pływaka 19 wraz magnesem 20 jest równa 50% gęstości cieczy 18 i pływak 19 jest wykonany ze styropianu w kolorze białym i zaopatrzony we wskaźnik położenia 21 w kształcie kropki namalowanej czarną farbą na zakrzywionej powierzchni w połowie wysokości pływaka 19.

Zasada działania przyrządu do badania drgań chaotycznych podczas pływania polega na tym, że początkowo pływak 19 jest nieruchomy i pływa w położeniu równowagi, częściowo zanurzony w cieczy 18. Wtedy do końcówek 8 uzwojenia 6 zostaje przyłożony pojedynczy impuls napięcia elektrycznego U. W wyniku tego uzwojenie 6 wytwarza strumień indukcji pola magnetycznego, przenikający rdzeń 4 i działający na magnes trwały 20, umieszczony w pływaku 19. Powoduje to zmianę głębokości zanurzenia pływaka 19 i wytrącenie go z położenia równowagi. Pływak 19 zostaje wprawiony w drgania w kierunku pionowym przez działającą na niego siłę wyporu cieczy 18 i siłę oddziaływania magnesu trwałego 20 z rdzeniem 4. Podczas tego ruchu na zakrzywioną powierzchnię boczną pływaka 19 działają siły hydrodynamiczne ze strony cieczy 18, które powodują wprawienie pływaka 19 w ruchy również dwóch kierunkach poziomych, prostopadłych do płaskich ścian pływaka 19. Każda z tych sił hydrodynamicznych zależy w nieliniowy sposób od wychylenia pływaka 19 z położenia równowagi w kierunku pionowym, albo poziomym, co powoduje, że drgania pływaka są chaotyczne. Wskutek oporów ruchu pływaka 19 w cieczy 18 drgania te są drganiami tłumionymi. Po zatrzymaniu się pływka 19 w położeniu równowagi można go wprawić ponownie w drgania przez przyłożenie impulsu napięcia elektrycznego U do końcówek 8 uzwojenia 6. Kamery 14 i 15 są przeznaczone do rejestracji położenie pływaka 19, co w szczególności ułatwia zastosowanie znacznika 21 w kolorze kontrastującym z kolorem materiału pływaka 19. Zarejestrowane obrazy są przesyłane oraz zapisywane w pamięci komputera osobistego PC i to pozwala analizować kształt toru znacznika 21 i używać zapisanych danych do dalszych badań drgań chaotycznych. Przyrząd może być też używany do badania wymuszonych drgań chaotycznych. W tym celu do końcówek 8 uzwojenia 6 są przykładne powtarzające się impulsy napięcia elektrycznego U. Zastosowanie przezroczystego naczynia 1, pokrywy 2 i uchwytu 3, wykonanych korzystnie z polimetakrylanu metylu oraz przezroczystej cieczy 18, korzystnie alkoholu etylowego i pływaka 19, wykonanego, korzystnie z białego styropianu z czarnym znacznikiem 21 pozwala na łatwą obserwację i rejestrację drgań chaotycznych. Ponadto alkohol etylowy ma stosunkowo małą lepkość, co zapewnia słabe tłumienie drgań. Zastosowanie rdzenia 4, wykonanego korzystnie z żelaza chemicznie czystego i magnesu trwałego 20, wykonanego korzystnie ze spieku żelaza, neodymu i boru umożliwia skuteczne oddziaływanie magnetyczne ze sobą tych elementów, a ponadto pokrycie magnesu 20 ochronną warstwą niklu zabezpiecza ten magnes przed korozją. Z kolei wykonanie karkasu 5, osłony 7 i podstawy 9 korzystnie z tekstolitu zapewnia odpowiednią wytrzymałość mechaniczną i właściwości elektroizolacyjne tych elementów.

Claims (8)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Przyrząd do badania drgań chaotycznych podczas pływania, znamienny tym, że zawiera naczynie (1) w kształcie prostopadłościanu o podstawie kwadratowej, zamykane szczelnie wciskaną od góry pokrywą (2), w kształcie kwadratu, mającą przyklejony do niej od góry uchwyt (3) w kształcie walca, przy czym naczynie (1), pokrywa (2) i uchwyt (3) są wykonane z materiału przezroczystego, a oprócz tego naczynie (1) jest ustawione na rdzeniu elektromagnesu (4), w kształcie prostopadłościanu o podstawie kwadratowej, przyklejonym do dna naczynia (1) i rdzeń (4) jest wykonany z materiału ferromagnetycznego, magnetycznie miękkiego o dużej przenikalności magnetycznej, a ponadto na rdzeń (4) jest nałożony karkas (5) z nawiniętym na nim uzwojeniem (6), otoczonym cienkościenną osłoną (7), przylegającą do uzwojenia (6), przy czym końcówki (8) uzwojenia (6) przechodzą przez otwory w osłonie (7) i są przyłączone do zasilacza impulsowego, a oprócz tego rdzeń (4) jest przyklejony do podstawy (9) w kształcie prostokątnej płyty, przy czym karkas (5), osłona (7) i podstawa przyrządu (9) są wykonane z materiału elektroizolacyjnego i nieferromagnetycznego, a poza tym w podstawie (9) naprzeciw osi symetrii bocznych ścian naczynia (1) są osadzone na wcisk dolne końce pionowych prętów (10, 11) o przekroju poprzecznym kołowym i na górnych końcach prętów (10, 11) są osadzone na wcisk poziome tulejki (12, 13), przy czym osie tulejek (12, 13) znajdują się naprzeciw środków ścian bocznych naczynia (1) i do tulejek (12, 13) są wsunięte kamery (14, 15) z matrycami CCD, skierowane obiektywami w stronę środków ścian bocznych naczynia (1) i przyłączone przewodami (16, 17) do komputera osobistego (PC), a ponadto naczynie (1) jest wypełnione częściowo przezroczystą cieczą (18) o małej lepkości, w której pływa częściowo zanurzony pływak (19), mający dwie płaskie prostopadłe do siebie pionowe ściany boczne, natomiast trzecia ściana pływaka (19), zwrócona w stronę obiektywów kamer (14, 15) ma kształt zakrzywionej powierzchni wypukłej, zwróconej węższą stroną ku górze i krawędzie pływaka (19) są zaokrąglone, przy czym w pływaku (19) znajduje się cylindryczny, nieprzelotowy kanał, skierowany pionowo i otwarty od dołu, do którego jest wciśnięty magnes trwały (20) w kształcie walca, namagnesowany w kierunku osiowym i wykonany z materiału o dużej

   PL 248768 Β1 remanencji magnetycznej, a ponadto średnia gęstość pływaka (19) wraz magnesem (20) jest równa 50% gęstości cieczy (18) i pływak (19) jest wykonany ze styropianu i zaopatrzony we wskaźnik położenia (21) w kształcie kropki, namalowanej czarną farbą na zakrzywionej powierzchni w połowie wysokości pływaka (19).
2. 2. Przyrząd według zastrz. 1, znamienny tym, że naczynie (1), pokrywa (2) i uchwyt (3) są wykonane z polimetakrylanu metylu.
3. 3. Przyrząd według zastrz. 1, znamienny tym, że rdzeń (4) jest wykonany z żelaza chemicznie czystego.
4. 4. Przyrząd według zastrz. 1, znamienny tym, że karkas (5), osłona (7) i podstawa przyrządu (9) są wykonane z tekstolitu.
5. 5. Przyrząd według zastrz. 1, znamienny tym, że naczynie (1) jest wypełnione częściowo alkoholem etylowym (18).
6. 6. Przyrząd według zastrz. 1, znamienny tym, że zakrzywiona ściana pływaka (19), zwrócona w stronę obiektywów kamer (14), (15) ma kształt fragmentu powierzchni paraboloidy obrotowej.
7. 7. Przyrząd według zastrz. 1, znamienny tym, że magnes trwały (20) jest wykonany ze spieku żelaza, neodymu i boru, pokrytego ochronną warstwą niklu.
8. 8. Przyrząd według zastrz. 1, znamienny tym, że pływak (19) jest wykonany ze styropianu w kolorze białym.