RU200328U1 - PLANT FOR DEMONSTRATION OF PHENOMENA CAUSED BY HARMONIC FORCED FORCE - Google Patents

Abstract

Заявленное техническое решение относится к установкам для наглядных демонстраций и исследований по физике и может быть использовано для проведения лабораторных работ и опытов по изучению колебательных движений под действием гармонической вынуждающей силы.Задача, на решение которой направлено заявленное техническое решение, заключается в создании простой, малогабаритной установки, позволяющей демонстрировать явление резонанса, исследовать колебания математических маятников различной длины нити под действием общей вынуждающей силы, измерять угол отклонения каждого маятника, для последующей обработки полученных данных в учебных заведениях, во время проведения лабораторных работ.Данная задача решается за счет того, что с помощью шагового двигателя, управляемого микроконтроллером, задается угол поворота вала вокруг своей оси по гармоническому закону. На вал подвешены математические маятники. Колебания точки подвеса маятников создают вынуждающую силу, и маятники приходят в движение. В случае совпадения частоты колебаний вала с собственной частотой отдельного маятника, наблюдается резкое увеличение его амплитуды, в то время как остальные маятники находятся в установившемся режиме с небольшой амплитудой колебаний, что демонстрирует явление резонанса. Датчики угла измеряют отклонение каждого маятника от положения равновесия. Углы отклонения маятников записываются в память микроконтроллера.Результатом, который обеспечивается приведенной совокупностью признаков, является расширение демонстрационных возможностей, удобство и простота установки для проведения лабораторных работ, связанных с механическими колебаниями, что весьма важно для учебных заведений, где в опытах участвуют как преподаватели, так и студенты.The claimed technical solution refers to installations for visual demonstrations and research in physics and can be used for laboratory work and experiments on the study of oscillatory movements under the action of a harmonic driving force. The problem to be solved by the claimed technical solution is to create a simple, small-sized installation , which makes it possible to demonstrate the phenomenon of resonance, to investigate the oscillations of mathematical pendulums of various lengths of a thread under the action of a common driving force, to measure the deflection angle of each pendulum, for subsequent processing of the data obtained in educational institutions, during laboratory work. a stepper motor controlled by a microcontroller, the angle of rotation of the shaft around its axis is set according to a harmonic law. Mathematical pendulums are suspended on the shaft. Oscillations of the suspension point of the pendulums create a compelling force, and the pendulums start moving. If the vibration frequency of the shaft coincides with the natural frequency of an individual pendulum, a sharp increase in its amplitude is observed, while the rest of the pendulums are in a steady state with a small vibration amplitude, which demonstrates the phenomenon of resonance. Angle sensors measure the deviation of each pendulum from its equilibrium position. The angles of deflection of the pendulums are recorded in the microcontroller's memory. The result, which is provided by the given set of features, is the expansion of demonstration capabilities, convenience and ease of installation for laboratory work associated with mechanical vibrations, which is very important for educational institutions where both teachers and and students.

Description

Заявленное техническое решение относится к установкам для наглядных демонстраций и исследований по физике и может быть использовано для проведения лабораторных работ и опытов по изучению колебательных движений под действием гармонической вынуждающей силы.The claimed technical solution relates to installations for visual demonstrations and research in physics and can be used for laboratory work and experiments on the study of oscillatory movements under the influence of a harmonic driving force.

Уровень техникиState of the art

Из существующего уровня техники известно устройство (патент RU 2658788 C1, "Способ и устройство для демонстрации свободных и затухающих колебаний", Кротов С.С, G09B 23/06, 2017.07.17) позволяющее исследовать явление резонанса и наблюдать движение маятников разной длины нити под действием общей вынуждающей силы. Недостатком данного устройства является отсутствие возможности измерить амплитуду колебаний каждого маятника в ансамбле.A device is known from the existing state of the art (patent RU 2658788 C1, "Method and device for demonstrating free and damped oscillations", Krotov S.S, G09B 23/06, 2017.07.17) allowing to investigate the resonance phenomenon and observe the movement of pendulums of different lengths of a thread under by the action of the general driving force. The disadvantage of this device is the inability to measure the amplitude of oscillations of each pendulum in the ensemble.

Так же из уровня техники известен учебный прибор, который позволяет измерять амплитуду колебаний маятника, и дает возможность исследовать и демонстрировать свободные и затухающие колебания (патент SU 1583961 "Учебный прибор для демонстрации свободных и затухающих колебаний", Беккауер Н.Н, G09B 23/10, 07.08.90). Недостатком данного устройства является то, что оно не позволяет исследовать колебания нескольких маятников под действием общей вынуждающей силы и явление резонанса.Also from the prior art, a training device is known that allows you to measure the amplitude of oscillations of a pendulum, and makes it possible to study and demonstrate free and damped oscillations (patent SU 1583961 "Training device for demonstrating free and damped oscillations", Beckauer N.N., G09B 23/10 , 07.08.90). The disadvantage of this device is that it does not allow studying the oscillations of several pendulums under the action of a common driving force and the phenomenon of resonance.

Раскрытие полетной моделиFlight model disclosure

Задача, на решение которой направлено заявленное техническое решение, заключается в создании простой, малогабаритной установки, позволяющей демонстрировать явление резонанса, исследовать колебания математических маятников различной длины нити под действием общей вынуждающей силы, измерять угол отклонения каждого маятника, для последующей обработки полученных данных в учебных заведениях, во время проведения лабораторных работ.The problem to be solved by the claimed technical solution is to create a simple, small-sized installation that allows you to demonstrate the phenomenon of resonance, to study the oscillations of mathematical pendulums of various lengths of a thread under the action of a common driving force, to measure the deflection angle of each pendulum, for subsequent processing of the data obtained in educational institutions , during laboratory work.

Данная задача решается за счет того, что с помощью шагового двигателя, управляемого микроконтроллером, выполняется поворот вала вокруг своей оси по гармоническому закону. На вал подвешены математические маятники. Колебания точки подвеса маятников создают вынуждающую силу, и маятники приходят в движение. В случае совпадения частоты колебаний вала с собственной частотой отдельного маятника, наблюдается резкое увеличение его амплитуды колебаний, в то время как остальные маятники находятся в установившемся режиме с меньшей амплитудой колебаний, таким образом демонстрируется явление резонанса. Датчики угла служат для измерения углов отклонения маятников от положения равновесия и передают результаты измерений на микроконтроллер.This problem is solved due to the fact that with the help of a stepper motor controlled by a microcontroller, the shaft is rotated around its axis according to a harmonic law. Mathematical pendulums are suspended on the shaft. Oscillations of the suspension point of the pendulums create a compelling force, and the pendulums start moving. In the case of coincidence of the vibration frequency of the shaft with the natural frequency of a separate pendulum, a sharp increase in its vibration amplitude is observed, while the rest of the pendulums are in a steady state with a smaller vibration amplitude, thus the resonance phenomenon is demonstrated. Angle sensors are used to measure the angles of deflection of the pendulums from the equilibrium position and transmit the measurement results to the microcontroller.

Результатом, который обеспечивается приведенной совокупностью признаков, является расширение демонстрационных возможностей, удобство и простота установки для проведения лабораторных работ, связанных с механическими колебаниями, что весьма важно для учебных заведений, где в опытах участвуют как преподаватели, так и студенты.The result, which is provided by the given set of features, is the expansion of demonstration capabilities, convenience and ease of installation for laboratory work associated with mechanical vibrations, which is very important for educational institutions where both teachers and students participate in experiments.

Краткое описание чертежейBrief Description of Drawings

Полезная модель поясняется чертежами. Чертежи представлены в объеме, достаточном для понимания полезной модели специалистами, и ни в какой мере не ограничивают объема полезной модели.The utility model is illustrated by drawings. The drawings are presented in a volume sufficient for specialists to understand the utility model and in no way limit the scope of the utility model.

На фиг. 1 изображена установка для демонстрации явлений, вызванных гармонической вынуждающей силой.FIG. 1 shows a setup for demonstrating the phenomena caused by harmonic driving force.

На фиг. 2 изображен блок управления 1.FIG. 2 shows control unit 1.

Осуществление полезной моделиImplementation of the utility model

Как показано на Фиг. 1 установка для демонстрации колебаний, вызванных вынуждающей силой, включает в себя блок управления 1, связанный с валом 2, математические маятники 3, подвешенные на вал 2, раму 4, обеспечивающую устойчивость конструкции, датчики угла 5, измеряющие угол отклонения каждого маятника. На фиг. 2 показано, что внутри блока управления 1 расположен шаговый двигатель 6, который приводит в движение вал 2. Шаговый двигатель соединен электрически с микроконтроллером 7. Датчики угла 5 также соединены с микроконтроллером 7 посредством проводов, проходящих внутри вала 2. Микроконтроллер 7 электрически соединен с модулем приема-передачи 8.As shown in FIG. 1, the installation for demonstrating vibrations caused by the driving force includes a control unit 1 connected to a shaft 2, mathematical pendulums 3 suspended on a shaft 2, a frame 4, which ensures the stability of the structure, angle sensors 5, which measure the deflection angle of each pendulum. FIG. 2 shows that a stepper motor 6 is located inside the control unit 1, which drives the shaft 2. The stepper motor is electrically connected to the microcontroller 7. The angle sensors 5 are also connected to the microcontroller 7 by means of wires passing inside the shaft 2. The microcontroller 7 is electrically connected to the module reception-transmission 8.

Устройство работает следующим образом: микроконтроллер 7 управляет шаговым двигателем 6, задавая циклическую частоту ω и амплитуду ϕ_max колебаний вала, что создает колебания точки подвеса маятников 3 по гармоническому закону ϕ(t)=ϕ_maxsin(ωt).The device works as follows: the microcontroller 7 controls the stepping motor 6, setting the cyclic frequency ω and the amplitude ϕ _max of shaft oscillations, which creates oscillations of the suspension point of the pendulums 3 according to the harmonic law ϕ (t) = ϕ _max sin (ωt).

Приведенные таким образом в движение маятники 3 отклоняются. Угол отклонения маятников 3 от положения равновесия регистрируют датчики угла 5. Данные сохраняются в памяти микроконтроллера 7 откуда могут быть переданы в компьютер через модуль приема-передачи 8, для дальнейшей демонстрации полученных результатов.The pendulums 3 set in motion are deflected. The angle of deviation of the pendulums 3 from the equilibrium position is recorded by the angle sensors 5. The data are stored in the memory of the microcontroller 7 from where they can be transferred to the computer via the transmission-reception module 8 for further demonstration of the results obtained.

Достоинством предлагаемой установки является измерение угла отклонения математических маятников от положения равновесия, возможность движения маятников различной длины нити под действием общей гармонической вынуждающей силы и демонстрация явления резонанса, что может использоваться для проведения лабораторных работ при изучении механических колебаний, для построения графиков зависимости угла отклонения маятников с различной длиной нити от времени.The advantage of the proposed installation is the measurement of the angle of deviation of mathematical pendulums from the equilibrium position, the possibility of movement of pendulums of various lengths of the thread under the action of a general harmonic driving force and demonstration of the resonance phenomenon, which can be used for laboratory work in the study of mechanical vibrations, for plotting the dependence of the angle of deflection of pendulums with different thread lengths from time to time.

Claims (1)

Установка для демонстрации колебаний, вызванных вынуждающей силой, включает в себя микроконтроллер, электрически соединенный с шаговым двигателем, его ротор жестко соединен с валом, на который подвешены математические маятники; к точке подвеса каждого маятника прикреплены датчики угла, подключенные к микроконтроллеру посредством проводов, проходящих внутри вала; микроконтроллер электрически соединен с модулем приема-передачи; вся конструкция устойчиво удерживается при помощи рамы, при этом шаговый двигатель, микроконтроллер и модуль приема-передачи расположены внутри блока управления.An installation for demonstrating oscillations caused by a driving force includes a microcontroller electrically connected to a stepper motor, its rotor rigidly connected to a shaft on which mathematical pendulums are suspended; Angle sensors are attached to the suspension point of each pendulum and are connected to the microcontroller through wires running inside the shaft; the microcontroller is electrically connected to the transmit-receive module; the whole structure is stably held by the frame, while the stepping motor, microcontroller and transmission and reception module are located inside the control unit.

Images