Прибор для демонстрации механических автоколебаний. Школьный крутильный маятник

Первый прибор (рис. 19) удобен для демонстрации обратной связи в часах. Он состоит из маятника 1, подвешенного на оси 2 так, как показано на рисунке 19, а, нитки с грузом 3, кривошипа 4 и скобки со стержнем 5 для закрепления прибора в штативе.

Чтобы накрутить нить на ось кривошипа, маятник смещают влево или переводят в верхнее вертикальное положение. На рисунке 19, б, в, г показаны различные положения маятника и кривошипа через ¼ периода колебания:
- в положении б после сообщения маятнику импульса кривошип перешел на верхнюю дугу, маятник может отклоняться дальше;
- в положении в (положение равновесия) маятник получает очередной импульс;
- в положении г кривошип на нижней дуге, маятник продолжает отклоняться влево.

Прибор можно использовать как метроном. Для хорошей слышимости ударов на левом конце оси маятника укрепляют бумажный диффузор.

Работу второго прибора можно понять из рисунка 20. При движении по проволочной винтовой дорожке 1 шарик 2 попадает в нижнюю трубку ротора 3 и ударом отводит рычажок 4. Тогда ротор 3 за счет энергии натянутой резинки 11 поворачивается на пол-оборота, шарик быстро переносится вверх и повторяет движения по винтовой дорожке. Получаем автоколебания.

Рычажок 4 напоминает по работе «собачку» в храповом механизме. 5 — стержень для закрепления прибора в штативе, 6 - штифт, 7 — ось ротора, 8 — шкив, навинченный на ось ротора, 9 — шайба, 10 — шнур, 12 — стержень, закрепляемый в штативе, 13 — пружина рычажка.

Прибор может быть использован как механическая модель электрической цепи. На винтовую дорожку можно положить два или три шарика на равных расстояниях. Тогда энергия растянутой резинки расходуется быстрее. Аналогии: 1) в замкнутой электрической цепи энергия аккумулятора расходуется быстрее при возрастании величины тока; 2) чтобы восстановить действие электрической цепи, разрядившийся аккумулятор заряжают Ослабевшую резинку в предлагаемом приборе натягивают, закручивая ротор по часовой стрелке. В каждом случае необходимо затратить постороннюю энергию.

Школьный круглый маятник. Схема предлагаемого прибора приведена на рисунке 21. Штатив прибора 1 представляет собой трубу, нижнее основание которой плотно насажено на металлический цилиндр, а основание последнего закреплено на доске, являющейся основанием всей установки. На трубу насажена металлическая болванка 2, на которой с помощью винта 3 укреплены пустотелый цилиндр 4 (в нашем варианте цилиндр изготовлен из учебной гранаты) и скоба трубки 12. В основании цилиндра 4 запрессованы подшипники 5 (не обязательно шариковые), в которых может вращаться ось маятника 6.

Маятник представляет собой алюминиевую пластинку 7 с грузами 8 и 9. Пластинка с грузами образует по отношению к оси вращения 6 уравновешенный рычаг, соотношение плеч которого 1:4.

На противоположном конце оси закреплена спиральная пружина 10 (в нашем варианте — от патефона). Второй конец этой пружины закреплен на выступе секторного рычага 11. Секторный рычаг изготовлен из листового металла. Форма рычага обеспечивает достаточную прочность. Осью вращения рычага служат трубка. 12. Рычаг приводится в движение электродвигателем через систему передач. Число оборотов двигателя регулируется реостатом.

Поворотом винта 14, снабженного фетровым тампоном 15, регулируется сопротивление колебательной системы.

На рисунке 22 показана схема крепления пружины и рычагов, на рисунке 23 — общий вид прибора.

Работа с прибором осуществляется в следующем порядке. Отклоняем на некоторый угол груз маятника 8 и определяем период собственных колебаний. Затем включаем двигатель и, наблюдая за движением конца штока 13, определяем период вынуждающей силы. Амплитуда вынужденных колебаний фиксируется при помощи шкалы.

При изменении числа оборотов двигателя можно определить зависимость вынужденных колебаний маятника от частоты вынуждающей силы. По полученным данным можно вычертить кривую резонанса. Изменение сопротивления движению колебательной системы, осуществляемое с помощью прибора, позволяет выяснить изменение резонансной картины и, следовательно, влияние этого изменения на форму кривой резонанса.