CZ2021579A3 - Výukový model úlohy závaží na pružině s měřením délky pružiny - Google Patents
Výukový model úlohy závaží na pružině s měřením délky pružiny Download PDFInfo
- Publication number
- CZ2021579A3 CZ2021579A3 CZ2021-579A CZ2021579A CZ2021579A3 CZ 2021579 A3 CZ2021579 A3 CZ 2021579A3 CZ 2021579 A CZ2021579 A CZ 2021579A CZ 2021579 A3 CZ2021579 A3 CZ 2021579A3
- Authority
- CZ
- Czechia
- Prior art keywords
- spring
- length
- weight
- measurement
- springs
- Prior art date
Links
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
- B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
- B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
- B06B1/10—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of mechanical energy
- B06B1/12—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of mechanical energy operating with systems involving reciprocating masses
- B06B1/14—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of mechanical energy operating with systems involving reciprocating masses the masses being elastically coupled
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
- B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
- B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
- B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
- B06B1/04—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with electromagnetism
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
Vynález se týká výukového modelu úlohy závaží (4) na pružině (1) s měřením délky pružiny (1), který obsahuje alespoň jednu pružinu (1), která je zapojena do elektrického obvodu jako cívka, ke které je připojeno vyhodnocovací zařízení (2) pro převod její indukčnosti na frekvenci, která je funkcí délky pružiny (1). Výukový model může obsahovat dvě pružiny (1), umístěné paralelně, které mají s výhodou navzájem opačný smysl otáčení. Délka pružiny (1) je průběžně vyhodnocována tím, že pružina (1) je v oscilátoru zapojena jako cívka a změny její indukčnosti s délkou jsou vyhodnocovány z naměřené frekvence.
Description
Výukový model úlohy závaží na pružině s měřením délky pružiny
Oblast techniky
Vynález se týká modelu pro výuku základů fyziky na experimentálním modelu.
Dosavadní stav techniky
Možnost ověřit si teoretické vztahy z výuky experimentem je osvědčeným prostředkem, protože usnadňuje zapamatování vztahů. Praktický příklad tvoří zážitek a usnadňuje zapamatování.
Model závaží na pružině se tak nalezne v každé laboratoři, kde se na vysoké škole učí základy fyziky. Mnoho jich lze najít na internetu pod heslem „spring and mass system“. Většinou jsou tvořeny držákem, který tvoří horní závěs pružiny, na pružině je zavěšen ukazatel, a pod ním samotné závaží. Závaží je výměnné. Ukazatel ukazuje na stupnici, kde je možné zrakem odečíst aktuální polohu závaží. Pracuje se s kombinacemi pružiny a závaží, které vedou na netlumené kmity o frekvenci do cca 1 Hz, aby bylo možné krajní polohy odečíst. Perioda kmitu bývá většinou měřena také přímo studenty, kteří napočítají například deset průchodů rovnovážnou polohou ve stejném směru a celkovou dobu zjistí stopkami. Spočítat lze například tuhost pružiny, která by měla být pro různé hodnoty závaží stejná.
Důležitou variantou je doplnění tlumení, nejčastěji je na závaží zavěšen další objekt, který se například pohybuje v oleji, přičemž lze měnit druh oleje. Výsledný časový průběh kmitání lze opět porovnat s teorií. Aby jej ale bylo možné i vykreslit, musí se doplnit měření polohy.
Logickým řešením by bylo doplnění pisátka na ukazatel. Za pisátkem by se jednoduchým systémem posouval pás papíru, popřípadě otáčel buben s papírem. Toto řešení se nepodařilo v dostupné literatuře najít.
Typickým řešením je měření polohy ultrazvukem. Buď přímo závaží, což není možné při doplnění olejového tlumení, nebo je ukazatel na protilehlé straně doplněn ploškou, jejíž poloha se ultrazvukem měří. Měření je velmi přesné, spolehlivé a relativně levné. (Amrani, Djilali & P, Paradis. Use of Computer-Based Data Acquisition to Teach Physics Laboratories: Case studySimple Harmonic Motion. Latin-American Journal of Physics Education. (2010), nebo Colm O'Sullivan, Adrian Landen and John Beechinor, Slavko Kocijancic: Enhancement of computerised experiments by means of spreadsheet macros. September 2003. Conference: GIREP International Seminar on Quality Development in Teacher Education and TrainingAt: Udine, Italy, pp 560 563).
Určení polohy objektu, jehož vzhled lze upravit, je jednou z nejjednodušších úloh z rozpoznávání obrazu. Na závaží či ukazatel se doplní terčík obrácený ke kameře a jeho poloha se na snímku z kamery vyhledá. Lze vyhodnotit i nasnímaný kamerový záznam, kde je zajištěna pravidelnost obrázků.
Dražším řešením je doplnění LVDT snímače (https://www.tecquipment.com/free-vibration-of-amass-spring-system). Ten má ovšem zpravidla jisté tření na místě, kde jsou jeho měřicí členy vedeny, čímž ovlivňuje experiment. Obdobně by šel použít odporový snímač polohy, který může mít v některých provedeních, například odporový drát - jezdec, dokonce nižší tření, než profesionální LVDT.
Pohon i měření indukčními cívkami, kdy se měří jen průchod a rychlost průchodu cívkou, je popsán v „Zeylikovich, I.S., Nikitin, A.V. & Vasilevich, A.E. Excitation and Detection of a Nonlinear
- 1 CZ 2021 - 579 A3
Resonance of Oscillations of a Spring-Mass System Using Electromagnetic Induction. Tech. Phys. 65, 1-6 (2020). https://doi.org/10.1134/S1063784220010284“.
V této úloze lze také měřit sílu na závěs tenzometrem. Je to dražší metoda a měří se jiná veličina, a ne tak názorná, ale pro ověření vypočtených hodnot to stačí (C.A. Triana F. Fajardo: Experimental study of simple harmonie motion of a spring-mass system as a function of spring diameter. Rev. Bras. Ensino Fis. 35 (4) · Dec 2013. Online: SciELO - Scientific Electronic Library Online, 2014. https://doi.org/10.1590/S1806-11172013000400005).
Podstata vynálezu
Výše uvedené nedostatky jsou do značné míry odstraněny výukovým modelem úlohy závaží na pružině s měřením délky pružiny, podle tohoto vynálezu. Jeho podstatou je to, že obsahuje 'alespoň jednu pružinu, která je zapojena do elektrického obvodu jako cívka, ke které je připojeno vyhodnocovací zařízení pro převod její indukčnosti na frekvenci, která je funkcí délky pružiny.
Výukový model obsahuje s výhodou dvě pružiny, které jsou umístěné paralelně.
V dalším výhodném provedení mají pružiny navzájem opačný smysl otáčení.
Řešení podle vynálezu využívá pro měření přímo samotnou pružinu. Pokud se pružina zapojí do vhodného oscilátoru, je její indukčnost závislá na délce:
L = pQKN^
Indukčnost cívek se vzduchovým jádrem je poměrně malá, takže výsledná frekvence bude vysoká. Při experimentech s kruhovým oscilátorem, tj. zapojení tří invertujících hradel v sérii, kdy kruh je v jednom místě přerušen cívkou, byly získané frekvence 6 až 8 MHz.
Získaný výstupní signál, který se odebírá z oscilátoru v místě, kde ve spojení hradel není cívka, je obdélníkový a frekvence lze snadno změřit čítačem, osciloskopem apod.
Principem měření je možnost použití Arduina nebo jeho klonu, které má USB výstup, takže jej lze snadno připojit k počítači. Může dokonce odměřit celý průběh a data posílat tak, jak je schopen je připojený počítač zpracovávat. Výsledné řešení tak umožňuje vykreslit časový průběh experimentu. Tlumení, například umístěním dalšího kulovitého závaží, potopeného do oleje, je možné snadno doplnit, ale není součástí tohoto řešení.
Klon arduina stojí okolo 200 Kč, oscilátor je tvořen jedním integrovaným obvodem a často jej lze doplnit přímo na desku Arduina. Nejlevnější konkurenční řešení, měření ultrazvukem, stojí okolo 50 USD (https://www.maxbotix.com/product-category/hrusb-maxsonar-ez-products).
Problémem samotného zapojení je, že vodiče jsou ovlivňovány magnetickým polem cívky, tedy pružiny, a měření tedy není příliš přesné. Jako řešení se navrhuje použití dvou pružin v paralelním zapojení. Závaží visí na spojce obou pružin. Aby se pružiny jako cívky neovlivňovaly, je třeba, aby vytvářely magnetické pole souhlasného směru. Za tím účelem má jedna z pružin pravé a druhá levé stoupání, tj. pravý a levý závit.
Objasnění výkresů
Výukový model úlohy závaží na pružině s měřením délky pružiny podle tohoto vynálezu bude podrobněji popsán na konkrétních příkladech provedení, kde na Obr. 1 je znázorněno schéma
-2CZ 2021 - 579 A3 jednoduššího provedení. Na Obr. 2 je výsledná podoba laboratorní úlohy. Na Obr. 3 je schéma kruhového oscilátoru a Arduina pro měření frekvence.
Příklady uskutečnění vynálezu
Výukový model úlohy závaží 4 na pružině 1 s měřením délky pružiny 1 obsahuje alespoň jednu pružinu 1, která je zapojena do elektrického obvodu jako cívka, ke které je připojeno vyhodnocovací zařízení 2 pro převod její indukčnosti na frekvenci, která je funkcí délky pružiny 1.
Na Obr. 1 je znázorněno zjednodušené řešení. Toto řešení bylo vyzkoušeno s cívkami, tj. pružinami 1 o středním průměru 36 a 9 mm, motanými z drátu určeného pro svařování v ochranné atmosféře o průměru 0,8 mm2, který má měděný povrch a dobře se připojuje na elektroniku. Bylo namotáno 30 závitů pružiny 1 o volné délce 120 mm. Pohyblivý přívod je tvořen měděným vodičem 7 typu lanko o průřezu 0,25 mm2. Elektronické vyhodnocovací zařízení 2 je spolu s pružinou 1 uchyceno na pevné části experimentálního modelu tvořené závěsem 3. Na pružině 1 je závaží 4 pohybující se ve směru 6. U závaží 4 je ukazatel 5 pro snazší kalibraci výukového modelu.
Na Obr. 2 je komplexnější provedení. Byly použity dvě cívky, tj. pružiny 1 o středním průměru 36 mm obdobné jako v prvním provedení. Každá pružina 1 - cívka má 24 závitů, přičemž jsou uchyceny s opačným smyslem vinutí, tj. pravá a levá. Volná délka pružiny 1 je okolo 90 mm a její délka při experimentu v rovnovážné poloze je okolo 130 mm. Uchycení pružin 1 je na závěsu 3 tvořeném dřevěným rámem. Vyhodnocovací zařízení 2 s integrovaným obvodem (74LS00) tvořícím kruhový oscilátor je z druhé strany závěsu 3 nosné konstrukce, co nejblíže zavěšení pružin 1 - cívek. Na pružinách 1 je závaží 4 pohybující se ve směru 6. U závaží 4 je ukazatel 5 pro snazší kalibraci výukového modelu.
Dosažené frekvence záleží zejména na počtu závitů a délce pružin 1 a pro uvedená zapojení byly od 4 MHz do téměř 11 MHz, tj. na mezi prodloužení pružin 1 na délku, kdy ztrácí schopnost se vrátit zcela zpět.
Pokud je pružina 1 motaná těsně a hrozí, že jednotlivé závity se dotknou, musí být vodič, ze kterého jsou pružiny 1, izolován. Postačuje přelakování. Při vzájemném dotyku závitů jinak prudce klesá indukčnost, a tedy stoupá výstupní frekvence oscilátoru.
No Obr. 3 je elektrické schéma použitého oscilátoru.
Průmyslová využitelnost
Výukový model podle tohoto vynálezu je určen pro použití při výuce fyziky, ať již na středních, nebo v prvních ročnících vysokých škol, kde může zastoupit zejména dražší přístroje s měřením ultrazvukem, přičemž navržené řešení je především velmi levné a zařízení lze snadno připojit k PC, případně nahradit starší přípravky bez přímého výstupu do počítače. Oproti měření ultrazvukem je možné dosáhnout robusnější konstrukce, protože jediné přístupné části mohou být pružiny a závaží, zatímco elektronika může být zabudována a chráněna v závěsu.
Claims (3)
1. Výukový model úlohy závaží (4) na pružině (1) s měřením délky pružiny (1), vyznačující se tím, že obsahuje alespoň jednu pružinu ()1, která je zapojena do elektrického obvodu jako cívka, ke 5 které je připojeno vyhodnocovací zařízení (2) pro převod její indukčnosti na frekvenci, která je funkcí délky pružiny (1).
2. Výukový model podle nároku 1, vyznačující se tím, že obsahuje dvě pružiny (1), umístěné paralelně.
3. Výukový model podle nároku 2, vyznačující se tím, že pružiny (1) mají navzájem opačný smysl 10 otáčení.
3 výkresy
Seznam vztahových značek:
1 - pružina, která je současně v elektrickém obvodě zapojená jako cívka
2 - vyhodnocovací elektronika
3 - pevný závěs, na kterém pružina visí
4 - závaží
5 - ukazatel, pro funkci není podstatný, usnadňuje kalibraci
6 - směr, kterým se na začátku experimentu závaží ručně rozhýbe
7 - pohyblivé vodiče
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ2021-579A CZ310087B6 (cs) | 2021-12-17 | 2021-12-17 | Výukový model úlohy závaží na pružině s měřením délky pružiny |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ2021-579A CZ310087B6 (cs) | 2021-12-17 | 2021-12-17 | Výukový model úlohy závaží na pružině s měřením délky pružiny |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CZ2021579A3 true CZ2021579A3 (cs) | 2023-06-28 |
| CZ310087B6 CZ310087B6 (cs) | 2024-07-31 |
Family
ID=86872131
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CZ2021-579A CZ310087B6 (cs) | 2021-12-17 | 2021-12-17 | Výukový model úlohy závaží na pružině s měřením délky pružiny |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CZ (1) | CZ310087B6 (cs) |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3706018A (en) * | 1971-11-04 | 1972-12-12 | Rex Chainbelt Inc | Electromagnetic vibrator employing rectification of induced currents |
| US5902964A (en) * | 1996-08-22 | 1999-05-11 | Southwest Research Institute | Measurement of mass using simple harmonic motion with active spring and active damping |
| EP3391034A4 (en) * | 2015-12-18 | 2019-10-16 | Laitram, L.L.C. | FUNDING MEASURING SYSTEM |
-
2021
- 2021-12-17 CZ CZ2021-579A patent/CZ310087B6/cs unknown
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CZ310087B6 (cs) | 2024-07-31 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Septianto et al. | Utilisation of the magnetic sensor in a smartphone for facile magnetostatics experiment: magnetic field due to electrical current in straight and loop wires | |
| Topal et al. | Design of fluxgate sensors for different applications from geology to medicine | |
| Gudoshnikov et al. | Investigation of the properties of Co-rich amorphous ferromagnetic microwires by means of small angle magnetization rotation method | |
| JP2766929B2 (ja) | 非破壊検査装置 | |
| Jacko et al. | Linear position sensor using magnetically bistable microwire | |
| CZ2021579A3 (cs) | Výukový model úlohy závaží na pružině s měřením délky pružiny | |
| Dolui et al. | Advancement of bridge health monitoring using magnetostrictive sensor with machine learning techniques | |
| Kolganov et al. | Development of the Design of the Sensor and the Elements of Software Data Processing of the Dynamic Indentation Device | |
| Ladera et al. | Unveiling the physics of the Thomson jumping ring | |
| Hubert et al. | Anhysteretic and dynamic piezomagnetic behavior of a low carbon steel | |
| Ha et al. | Currents induced in a circular loop by an oscillating magnet | |
| Boháč et al. | Educational device for demonstrating Lenz’s law | |
| EA016899B1 (ru) | Устройство для измерения твердости | |
| Zdeshchyts et al. | Measuring Earth’s mean density using BYOD technology | |
| Pradhan et al. | Determination of Young’s modulus by studying the flexural vibrations of a bar: experimental and theoretical approaches | |
| RU119117U1 (ru) | Датчик для дефектоскопии стальных стержней | |
| Gorkunov et al. | Aspects of the design of the electromagnetic transducer for diagnosing machinery elements | |
| Connelly et al. | Galvanometers and the many lives of scientific instruments | |
| Sowiński et al. | Laboratory stand for fluxgate level measurement | |
| Reutov et al. | Hardware for inspection of ferromagnetic low coercive-force articles | |
| Awad et al. | Measurement of low-frequency mechanical vibrations based on an inverted magnetic pendulum | |
| Kikuchihara et al. | Optimization of the eddy current testing | |
| Uhlig et al. | Lorentz force eddy current testing: validation of numerical results | |
| RU163380U1 (ru) | Установка для определения внутреннего трения в материале | |
| Simić et al. | Computer sound card as a tool to study of fast changing electromagnetic phenomena |