RU2017228C1

RU2017228C1 - Physics educational device

Info

Publication number: RU2017228C1
Authority: RU
Inventors: А.Б. Михайлин; А.Е. Лямин; Л.Д. Иванов
Original assignee: Военная инженерно-космическая академия им.А.Ф.Можайского
Priority date: 1991-06-24
Filing date: 1991-06-24
Publication date: 1994-07-30

Abstract

FIELD: educational means. SUBSTANCE: device has base, vertical axis, frame, mounted onto the axis, statically balanced rod, provided with weights. The rod is mounted onto the frame by means of half-axes and has internal sliding part, the gyroscope rotor is mounted onto the end of the sliding part by means of a bearing. When showing law of conservation of momentum, the frame is brought into rotation about vertical axis, and then simultaneously with frame the rotation is brought to the rod about half-axes. In this case distance between the weights and vertical axis of rotation changes, that result to achieving variable moment of inertia of the whole system relatively the vertical axis. After the rotor is driven up to speed, the origin of gyroscopic momentum is shown at frame turn. After that the internal part of the rod is pulled out, and precession of heavy gyroscope is shown. EFFECT: improved efficiency of educational process. 1 dwg

Description

Изобретение относится к учебным пособиям по физике и теоретической механике и может быть использовано для демонстрации большой группе слушателей явления прецессии гироскопа и закона сохранения момента количеств движения материальной системы. The invention relates to textbooks in physics and theoretical mechanics and can be used to demonstrate to a large group of students the phenomenon of the precession of the gyroscope and the law of conservation of angular momentum of the motion of the material system.

Известен учебный прибор для демонстрации прецессии гироскопа под действием момента силы тяжести, содержащий стойку с подшипниками, в которых установлен шток, закрепленный на штоке с возможностью качания кожух со штангой и противовесом и расположенный в кожухе электродвигатель, линия питания которого содержит контактные кольца, при этом подшипники выполнены электрически изолированными от стойки, а контактные кольца совмещены с наружными и внутренними обоймами подшипников, каждый провод линии питания имеет разрыв, один конец которого связан с наружной, а другой - с внутренней обоймой одного из подшипников, причем тела качения подшипников выполнены из электропроводного материала (а.с.СССР N 1370662, кл. G 09 B 23/06, 1988). A known training device for demonstrating the precession of a gyroscope under the action of a moment of gravity, comprising a strut with bearings, in which a rod is mounted, a casing with a rod and a counterweight, and an electric motor located in the casing, can be swung, the supply line of which contains contact rings, while the bearings made electrically isolated from the rack, and the contact rings are combined with the outer and inner bearings of the bearings, each wire of the power line has a gap, one end of which Knit with external and the other - the inner race of a bearing, wherein the rolling bodies of bearings made of electrically conductive material (a.s.SSSR N 1370662, cl G 09 B 23/06, 1988.).

Известный прибор позволяет продемонстрировать прецессию гироскопа под действием момента силы тяжести, но не позволяет продемонстрировать закон сохранения момента количеств движения материальной системы. The known device allows you to demonstrate the precession of the gyroscope under the action of the moment of gravity, but does not allow to demonstrate the law of conservation of angular momentum of the momentum of the material system.

Известен учебный прибор по физике для иллюстрации третьего закона Ньютона при вращательном движении тел, содержащий установленный на подставке поворотный вертикальный стержень, съемную вилку, надеваемую на стержень, смонтированное на вилке съемное коромысло, на противоположных концах которого расположены два маховика, соединенные между собой упругой нитью, и набор дисков, надеваемых на вертикальный стержень (а.с. СССР N 288429, кл. 42 n 11/01, 1971). A teaching device in physics is known to illustrate Newton’s third law when rotating bodies, containing a rotatable vertical rod mounted on a stand, a removable fork, put on a rod, a removable beam mounted on the fork, at the opposite ends of which are two flywheels connected by an elastic thread, and a set of discs worn on a vertical rod (AS USSR N 288429, CL 42 n 11/01, 1971).

Данный прибор позволяет получить переменный момент инерции всей системы относительно вертикальной оси и продемонстрировать возможность создания управляющих моментов с помощью маховиков, но не позволяет продемонстрировать гироскопические явления с использованием его вращающихся масс. This device allows you to obtain a variable moment of inertia of the entire system relative to the vertical axis and demonstrate the possibility of creating control moments using the flywheels, but does not allow to demonstrate gyroscopic phenomena using its rotating masses.

Наиболее близким по конструктивным признакам к предлагаемому устройству является учебный прибор по физике и теоретической механике под названием "Маятник Пошехонова", содержащий основание, вертикальную ось, установленную на ней раму с возможностью свободного вращения вокруг вертикальной оси и горизонтальную ось рамы, на которой установлен с возможностью вращения статически уравновешенный стержень с массами на его концах (Демонстрационные приборы по теоретической механике./Под ред.проф. Н.В.Бутенина. ВИКИ им. А.Ф.Можайского, 1980, Л.: с.51-53). The closest in design features to the proposed device is a training device in physics and theoretical mechanics called the Poshekhonov’s Pendulum, containing a base, a vertical axis, a frame mounted on it with the possibility of free rotation around the vertical axis and a horizontal axis of the frame, which is installed with the possibility rotation of a statically balanced rod with masses at its ends (Demonstration devices in theoretical mechanics. / Under the editorship of prof. N.V. Butenin. VIKI im.A.F. Mozhaiskogo, 1980, L .: p.51-53).

При вращении стержня прибора вокруг горизонтальной оси расстояние масс до оси вращения рамы изменяется, что дает возможность получить переменный момент инерции всей системы относительно вертикальной оси. Однако данный прибор не позволяет продемонстрировать гироскопические явления с использованием его вращающихся масс. When the rod of the device rotates around the horizontal axis, the distance of the masses to the axis of rotation of the frame changes, which makes it possible to obtain a variable moment of inertia of the entire system relative to the vertical axis. However, this device does not allow to demonstrate gyroscopic phenomena using its rotating masses.

Цель изобретения - повышение дидактических возможностей. The purpose of the invention is the improvement of didactic opportunities.

Цель достигается тем, что в учебном приборе по физике, содержащем основание, вертикальную ось, установленную на ней раму с возможностью свободного вращения вокруг вертикальной оси, горизонтальную ось рамы, на которой установлен статически уравновешенный стержень с грузами на его концах, в нем один из грузов выполнен в виде гироскопа, а статически уравновешенный стержень выполнен составным из двух установленных с возможностью осевого перемещения и фиксации одна относительно другой частей, первая из которых - наружная соединена с помощью полуосей и втулок со стойками рамы, а вторая - внутренняя содержит установленный соосно статически уравновешенному стержню на подшипниках ротор, который выполнен, например, в виде шара аналогично грузу, жестко установленному на конце наружной части статически уравновешенного стержня. The goal is achieved by the fact that in a physics training device containing a base, a vertical axis, a frame mounted on it with the possibility of free rotation around a vertical axis, a horizontal axis of the frame, on which a statically balanced rod with loads at its ends is mounted, one of the loads made in the form of a gyroscope, and the statically balanced rod is made up of two parts installed with the possibility of axial movement and fixation relative to one another, the first of which is the outer connected with semiaxes and bushings with frame racks, and the second internal contains a rotor mounted coaxially to a statically balanced rod on bearings, which, for example, is made in the form of a ball similar to a load rigidly mounted on the end of the outer part of a statically balanced rod.

На чертеже изображен предлагаемый учебный прибор по физике. The drawing shows the proposed educational device in physics.

Учебный прибор по физике содержит основание 1, вертикальную ось 2, закрепленную на основании, раму 3 со стойками, установленную на вертикальной оси 2 с помощью подшипника 4 так, что внутренний плоский торец отверстия подшипника 4 опирается на сферический торец вертикальной оси 2, статически уравновешенный стержень 5 с грузами 6 на его концах, который выполнен составным из двух установленных с возможностью осевого перемещения и фиксации одна относительно другой частей, первая 7 из которых - наружная соединена с помощью полуосей 8 и подшипниковых втулок 9 со стойками рамы 3, а вторая 10 - внутренняя содержит установленный соосно статически уравновешенному стержню 5 на подшипниках 11 ротор 12 гироскопа, который выполнен, например, в виде шара аналогично грузу 6, жестко установленному на конце наружной части 7 статически уравновешенного стержня, и фиксатор 13 внутренней части 10 стержня 5, укрепленный на наружной части 7 стержня 5. The physics teaching device contains a base 1, a vertical axis 2, mounted on a base, a frame 3 with uprights, mounted on a vertical axis 2 using a bearing 4 so that the inner flat end face of the bearing hole 4 rests on the spherical end face of the vertical axis 2, a statically balanced rod 5 with weights 6 at its ends, which is made of two parts mounted axially movable and axially movable, fixed relative to one another, the first 7 of which are external connected by means of axles 8 and bearings bushings 9 with struts of the frame 3, and the second 10 - the inner one contains a gyro rotor 12 mounted coaxially to the statically balanced rod 5 on the bearings 11, which is made, for example, in the form of a ball similar to the load 6, rigidly mounted on the end of the outer part 7 of the statically balanced rod, and the latch 13 of the inner part 10 of the rod 5, mounted on the outer part 7 of the rod 5.

Учебный прибор по физике работает следующим образом. The training device in physics works as follows.

На первом и втором этапах при демонстрации закона сохранения момента количеств движения материальной системы грузы 6 находятся на одинаковом расстоянии от полуосей 8 рамы 3, внутренняя часть 10 стержня 5 зафиксирована фиксатором 13 относительно его внешней части 7. Затем раме 3 сообщается вращение вокруг вертикальной оси при неподвижном относительно рамы 3 стержне 5. Наиболее целесообразно при этом устанавливать стержень в горизонтальном или близком к нему положении. Ввиду отсутствия момента внешних сил (моментом сил трения в подшипнике 4 можно пренебречь) и постоянства момента инерции системы относительно вертикальной оси угловая скорость вращения рамы 3 остается неизменной. По окончании демонстрации этой закономерности рама 3 останавливается. At the first and second stages, when demonstrating the law of conservation of the moment of momentum of the material system, the loads 6 are at the same distance from the semi-axes 8 of the frame 3, the inner part 10 of the rod 5 is fixed by a latch 13 relative to its outer part 7. Then, the rotation 3 is reported to the frame 3 about a stationary axis relative to the frame 3 of the rod 5. It is most advisable to install the rod in a horizontal or close position. Due to the absence of the moment of external forces (the moment of friction in the bearing 4 can be neglected) and the constancy of the moment of inertia of the system relative to the vertical axis, the angular velocity of rotation of the frame 3 remains unchanged. At the end of the demonstration of this pattern, frame 3 stops.

После этого вначале приводится во вращение с небольшой угловой скоростью стержень 5 и затем снова сообщается вращение вокруг вертикальной оси 2 раме 3. Благодаря вращению стержня 5 и грузов 6 момент инерции всей системы периодически изменяется. И так как при этом момент количеств движения системы сохраняет все время постоянное значение, то вращение рамы 3 происходит с переменной угловой скоростью, изменяющейся в соответствии с изменением положения стержня 5. After that, the rod 5 is first rotated with a small angular velocity, and then the rotation around the vertical axis 2 of the frame 3 is again reported. Due to the rotation of the rod 5 and weights 6, the moment of inertia of the entire system periodically changes. And since at the same time the momentum of the system’s motion remains constant all the time, the rotation of the frame 3 occurs with a variable angular velocity, changing in accordance with a change in the position of the rod 5.

На третьем этапе производится демонстрация прецессии тяжелого гироскопа и его устойчивости к ударным нагрузкам, а также возникновение гироскопического момента. Для этого ротору 12 гироскопа с помощью переносного электродвигателя сообщается необходимая скорость вращения (примерно 500-700 об/мин). С этой целью резиновый диск, закрепленный на валу внешнего электродвигателя, приводится в непосредственный контакт с ротором 12 прибора и благодаря силе трения резиновый диск вовлекает ротор 12 во вращение. The third stage demonstrates the precession of a heavy gyroscope and its resistance to shock loads, as well as the occurrence of a gyroscopic moment. For this, the rotor 12 of the gyroscope is informed by a portable electric motor of the required rotation speed (approximately 500-700 rpm). To this end, a rubber disk mounted on the shaft of an external electric motor is brought into direct contact with the rotor 12 of the device and, thanks to the friction force, the rubber disk draws the rotor 12 into rotation.

По окончании раскрутки ротора 12 осуществляется вращение рамы 3 прибора вокруг вертикальной оси, которое приводит к появлению гироскопического момента, и, как следствие, к повороту ротора 12 около полуосей 8. At the end of the spinning of the rotor 12, the frame 3 of the device rotates around a vertical axis, which leads to the appearance of a gyroscopic moment, and, as a result, to the rotation of the rotor 12 near the axle shafts 8.

Для демонстрации прецессии тяжелого гироскопа и его устойчивости к ударным нагрузкам фиксатором 13 раскантривается внутренняя часть 10 стержня 5 с ротором 12, которая затем выдвигается на всю возможную длину и снова фиксируется фиксатором 13 во внешней части 7 стержня 5. Стержень 5 устанавливается под разными углами к вертикали, и в пределе угол его наклона доводится до 90^о.To demonstrate the precession of a heavy gyroscope and its resistance to shock loads, the latch 13 uncovers the inner part 10 of the rod 5 with the rotor 12, which then extends to the full possible length and is again fixed by the latch 13 in the outer part 7 of the rod 5. The rod 5 is installed at different angles to the vertical , and in the limit the angle of its inclination is brought up to 90 ^about .

При той же угловой скорости собственного вращения ротора 12 угловая скорость прецессии не изменяется, что демонстрирует пропорциональность момента силы тяжести, а следовательно, скорости конца вектора кинетического момента, синуса угла отклонения оси от вертикали и одновременной пропорциональности этому синусу радиуса и длины окружности, описываемой указанным вектором. At the same angular velocity of the intrinsic rotation of the rotor 12, the angular precession velocity does not change, which demonstrates the proportionality of the moment of gravity, and therefore, the velocity of the end of the vector of kinetic moment, the sine of the angle of deviation of the axis from the vertical and the simultaneous proportionality to this sine of the radius and circumference described by the indicated vector .

Для демонстрации устойчивости гироскопа к ударным нагрузкам наносятся легкие удары по его диску или стержню 5. To demonstrate the stability of the gyroscope to shock loads, light strokes are applied to its disk or rod 5.

Конструкция данного прибора позволяет получить переменный момент инерции всей системы относительно вертикальной оси при отсутствии момента внешних сил и наглядно продемонстрировать закон сохранения момента количеств движения материальной системы, а также продемонстрировать ряд гироскопических явлений. The design of this device allows you to obtain a variable moment of inertia of the entire system relative to the vertical axis in the absence of external forces and to clearly demonstrate the law of conservation of angular momentum of the material system, as well as to demonstrate a number of gyroscopic phenomena.

Ожидается положительный качественный эффект при изучении соответствующих разделов физики и механики, экономический эффект от лучшего усвоения демонстрируемых физических законов. A positive qualitative effect is expected when studying the relevant branches of physics and mechanics, the economic effect of a better assimilation of the demonstrated physical laws.

Claims

A PHYSICAL EDUCATIONAL INSTRUMENT, containing a base, a vertical axis, a frame mounted on it with the possibility of free rotation around the vertical axis, a horizontal axis of the frame, on which a statically balanced rod with loads at its ends is installed, characterized in that, in order to increase the didactic possibilities in one of the loads is made in the form of a gyroscope, and the statically balanced rod is made up of two parts installed with the possibility of axial movement and fixation relative to the other, the first and of which the outer one is connected by means of half shafts and bushings with the uprights of the frame, and the second inner one contains a rotor mounted coaxially to a statically balanced rod on bearings, which is made, for example, in the form of a ball similar to a load rigidly mounted on the end of the outer part of a statically balanced rod.