CZ310087B6 - 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
- CZ310087B6 CZ310087B6 CZ2021-579A CZ2021579A CZ310087B6 CZ 310087 B6 CZ310087 B6 CZ 310087B6 CZ 2021579 A CZ2021579 A CZ 2021579A CZ 310087 B6 CZ310087 B6 CZ 310087B6
- Authority
- CZ
- Czechia
- Prior art keywords
- spring
- length
- measurement
- task
- springs
- Prior art date
Links
- 238000005259 measurement Methods 0.000 title claims abstract description 15
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 claims abstract description 6
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 abstract 1
- 230000006870 function Effects 0.000 abstract 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 6
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 5
- 238000002604 ultrasonography Methods 0.000 description 5
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 4
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 4
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 3
- 238000013016 damping Methods 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 3
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 2
- 238000004804 winding Methods 0.000 description 2
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000005674 electromagnetic induction Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 1
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 1
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 1
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 1
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
Vyukovy model ùlohy zavazi na pruzine s merenfm délky pruziny
Oblast techniky
Vynâlez se tÿkâ modelu pro vÿuku zâkladù fyziky na experimentâlnim modelu.
Dosavadni stav techniky
Moznost overit si teoretické vztahy z vÿuky experimentem je osvedcenÿm prostredkem, protoze usnadnuje zapamatovâni vztahù. Praktickÿ priklad tvori zazitek a usnadnuje zapamatovâni.
Model zâvazi na pruzine se tak nalezne v kazdé laboratori, kde se na vysoké skole uci zâklady fyziky. Mnoho jich lze najit na internetu pod heslem „spring and mass system“. Vetsinou jsou tvoreny drzakem, kterÿ tvori horni zaves pruziny, na pruzine je zavesen ukazatel, a pod nim samotné zavazi. Zavazi je vÿmenné. Ukazatel ukazuje na stupnici, kde je mozné zrakem odecist aktualni polohu zavazi. Pracuje se s kombinacemi pruziny a zavazi, které vedou na netlumené kmity o frekvenci do cca 1 Hz, aby bylo mozné krajni polohy odecist. Perioda kmitu bÿvâ vetsinou merena také primo studenty, kteri napocitaji napriklad deset prùchodù rovnovaznou polohou ve stejném smeru a celkovou dobu zjisti stopkami. Spocitat lze napriklad tuhost pruziny, kterâ by mela bÿt pro rùzné hodnoty zâvazi stejnâ.
Dùlezitou variantou je doplneni tlumeni, nejcasteji je na zâvazi zavesen dalsi objekt, kterÿ se napriklad pohybuje v oleji, pricemz lze menit druh oleje. Vÿslednÿ casovÿ prùbeh kmitâni lze opet porovnat s teorii. Aby jej ale bylo mozné i vykreslit, musi se doplnit mereni polohy.
Logickÿm resenim by bylo doplneni pisâtka na ukazatel. Za pisâtkem by se jednoduchÿm systémem posouval pâs papiru, popripade otâcel buben s papirem. Toto reseni se nepodarilo v dostupné literature najit.
Typickÿm resenim je mereni polohy ultrazvukem. Bud primo zâvazi, coz neni mozné pri doplneni olejového tlumeni, nebo je ukazatel na protilehlé strane doplnen ploskou, jejiz poloha se ultrazvukem meri. Mereni je velmi presné, spolehlivé a relativne 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).
Urceni polohy objektu, jehoz vzhled lze upravit, je jednou z nejjednodussich ùloh z rozpoznâvâni obrazu. Na zâvazi ci ukazatel se doplni tercik obrâcenÿ ke kamere a jeho poloha se na snimku z kamery vyhledâ. Lze vyhodnotit i nasnimanÿ kamerovÿ zâznam, kde je zajistena pravidelnost obrâzkù.
Drazsim resenim je doplneni LVDT snimace (https://www.tecquipment.com/free-vibration-of-amass-spring-system). Ten mâ ovsem zpravidla jisté treni na miste, kde jsou jeho merici cleny vedeny, cimz ovlivnuje experiment. Obdobne by sel pouzit odporovÿ snimac polohy, kterÿ mùze mit v nekterÿch provedenich, napriklad odporovÿ drât - jezdec, dokonce nizsi treni, nez profesionâlni LVDT.
Pohon i mereni indukcnimi civkami, kdy se meri jen prùchod a rychlost prùchodu civkou, je popsân v „Zeylikovich, I.S., Nikitin, A.V. & Vasilevich, A.E. Excitation and Detection of a
- 1 CZ 310087 B6
Nonlinear Resonance of Oscillations of a Spring-Mass System Using Electromagnetic Induction. Tech. Phys. 65, 1-6 (2020). https://doi.Org/10.l 134/S1063784220010284“.
V této ùloze lze také merit silu na zâvës tenzometrem. Je to drazsi metoda a men se jinâ velicina, a ne tak nâzomâ, ale pro ovëfeni vypoëtenÿch hodnot to staëi (C.A. Triana F. Fajardo: Experimental study of simple harmonie motion of a spring-mass system as a fonction 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 vynàlezu
Vÿse uvedené nedostatky jsou do znaëné miry odstranëny vÿukovÿm modelem ùlohy zâvazi na pruzinë s mëfenim délky pruziny, podle tohoto vynàlezu. Jeho podstatou je to, ze obsahuje alespon jednu pruzinu, ktera je zapojena do elektrického obvodu jako civka, ke které je pnpojeno vyhodnocovaci zanzeni pro pfevod jeji indukënosti na frekvenci, odpovidajici délce pruziny.
Vÿukovÿ model obsahuje s vÿhodou dvë pruziny, které jsou umistëné paralelnë.
V dalsim vÿhodném provedeni maji pruziny navzâjem opaënÿ smysl otâëeni.
Reseni podle vynàlezu vyuzivâ pro mëfeni primo samotnou pruzinu. Pokud se pruzina zapoji do vhodného oscilâtoru, je jeji indukënost zâvislâ na délce:
Σ = μ0ΚΝ2 γ
Indukënost civek se vzduchovÿm jâdrem je pomëmë malâ, takze vÿslednâ frekvence bude vysokâ. Pfi experimented! s kruhovÿm oscilâtorem, tj. zapojeni tri invertujicich hradel v sérii, kdy kruh je v jednom mistë pferusen civkou, byly ziskané frekvence 6 az 8 MHz.
Ziskanÿ vÿstupni signal, kterÿ se odebirâ z oscilâtoru v mistë, kde ve spojeni hradel neni civka, je obdélnikovÿ a frekvence lze snadno zmëfit ëitaëem, osciloskopem apod.
Principem mëfeni je moznost pouziti Arduina nebo jeho klonu, které mâ USB vÿstup, takze jej lze snadno pfipojit k poëitaëi. Mùze dokonce odmëfit celÿ prùbëh a data posilat tak, jak je schopen je pfipojenÿ poëitaë zpracovâvat. Vÿsledné reseni tak umoznuje vykreslit ëasovÿ prùbëh experimentu. Tlumeni, napriklad umistënim dalsiho kulovitého zâvazi, potopeného do oleje, je mozné snadno doplnit, ale neni souëâsti tohoto reseni.
Klon arduina stoji okolo 200 Kë, oscilâtor je tvofen jednim integrovanÿm obvodem a ëasto jej lze doplnit primo na desku Arduina. Nejlevnëjsi konkurenëni reseni, mëfeni ultrazvukem, stoji okolo 50 USD (https://www.maxbotix.com/product-category/hrusb-maxsonar-ez-products).
Problémem samotného zapojeni je, ze vodiëe jsou ovlivnovâny magnetickÿm polem civky, tedy pruziny, a mëfeni tedy neni pfilis pfesné. Jako feseni se navrhuje pouziti dvou pruzin vparalelnim zapojeni. Zâvazi visi na spojee obou pruzin. Aby se pruziny jako civky neovlivnovaly, je tfeba, aby vytvâfely magnetické pole souhlasného smëru. Za tim ùëelem mâ jedna z pruzin pravé a druhâ levé stoupâni, tj. pravÿ a levÿ zâvit.
Objasnëni vÿkresù
Vÿukovÿ model ùlohy zâvazi na pruzinë s mëfenim délky pruziny podle tohoto vynàlezu bude podrobnëji popsân na konkrétnich pfikladech provedeni, kde na obr. 1 je znâzomëno schéma
-2CZ 310087 B6 jednodussiho provedeni. Na obr. 2 je vÿsledna podoba laboratorni ùlohy. Na obr. 3 je schéma kruhového oscilatoru a Arduina pro mereni frekvence.
Priklady uskutecneni vynalezu
Vÿukovÿ model ùlohy zavazi 4 na pruzine 1 s merenim délky pruziny 1 obsahuje alespon jednu pruzinu 1, ktera je zapojena do elektrického obvodu jako civka, ke které je pripojeno vyhodnocovaci zarizeni 2 pro prevod jeji indukcnosti na frekvenci, ktera odpovida délce pruziny 1.
Na obr. 1 je znazorneno zjednodusené reseni. Toto reseni bylo vyzkouseno s civkami, tj. pruzinami 1 o strednim prùmeru 36 a 9 mm, motanÿmi z dratu urceného pro svarovani v ochranné atmosfére o prùmeru 0,8 mm2, kterÿ ma medenÿ povrch a dobre se pripojuje na elektroniku. Bylo namotano 30 zavitù pruziny 1 o volné délce 120 mm. Pohyblivÿ privod je tvoren medenÿm vodicem 7 typu lanko o prùrezu 0,25 mm2. Elektronické vyhodnocovaci zarizeni 2 je spolu s pruzinou 1 uchyceno na pevné casti experimentalniho modelu tvorené zavesem 3. Na pruzine 1 je zavazi 4 pohybujici se ve smeru 6. U zavazi 4 je ukazatel 5 pro snazsi kalibraci vÿukového modelu.
Na obr. 2 je komplexnejsi provedeni. Byly pouzity dve civky, tj. pruziny 1 o strednim prùmeru 36 mm obdobné jako v prvnim provedeni. Kazda pruzina 1 - civka ma 24 zavitù, pricemz jsou uchyceny s opacnÿm smyslem vinuti, tj. prava a leva. Volna délka pruziny 1 je okolo 90 mm a jeji délka pri experimentu v rovnovazné poloze je okolo 130 mm. Uchyceni pruzin 1 je na zavesu 3 tvoreném drevenÿm ramem. Vyhodnocovaci zarizeni 2 s integrovanÿm obvodem (74LS00) tvoricim kruhovÿ oscilator je z druhé strany zavesu 3 nosné konstrukce, co nejblize zaveseni pruzin 1 - civek. Na pruzinach 1 je zavazi 4 pohybujici se ve smeru 6. U zavazi 4 je ukazatel 5 pro snazsi kalibraci vÿukového modelu.
Dosazené frekvence zalezi zejména na poctu zavitù a délce pruzin 1 a pro uvedena zapojeni byly od 4 MHz do témer 11 MHz, tj. na mezi prodlouzeni pruzin 1 na délku, kdy ztraci schopnost se vratit zcela zpet.
Pokud je pruzina 1 motana tesne a hrozi, ze jednotlivé zavity se dotknou, musi bÿt vodic, ze kterého jsou pruziny 1, izolovan. Postacuje prelakovani. Pri vzajemném dotyku zavitù jinak prudce klesa indukcnost a tedy stoupa vÿstupni frekvence oscilatoru.
No obr. 3 je elektrické schéma pouzitého oscilatoru.
Prùmyslova vyuzitelnost
Vÿukovÿ model podle tohoto vynalezu je urcen pro pouziti pri vÿuce fyziky, al jiz na strednich, nebo v prvnich rocnicich vysokÿch skol, kde mùze zastoupit zejména drazsi pristroje s merenim ultrazvukem, pricemz navrzené reseni je predevsim velmi levné a zarizeni lze snadno pripojit k PC, pripadne nahradit starsi pripravky bez primého vÿstupu do pocitace. Oproti mereni ultrazvukem je mozné dosahnout robustnejsi konstrukce, protoze jediné pristupné casti mohou bÿt pruziny a zavazi, zatimco elektronika mùze bÿt zabudovana a chranena v zavesu.
Claims (3)
1. Vÿukovÿ model ùlohy zavazi (4) na pruzine (1) s merenim délky pruziny (1), vyznacujici se tim, ze obsahuje alespon jednu pruzinu (1), ktera je zapojena do elektrického obvodu jako civka, ke 5 které je pripojeno vyhodnocovaci zarizeni (2) pro prevod jeji indukcnosti na frekvenci odpovidajici délce pruziny (1).
2. Vÿukovÿ model podle naroku 1, vyznacujici se tim, ze obsahuje dve pruziny (1), umistené paralelne.
3. Vÿukovÿ model podle naroku 2, vyznacujici se tim, ze pruziny (1) maji navzajem opacnÿ smysl 10 otaceni.
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 CZ2021579A3 (cs) | 2023-06-28 |
| CZ310087B6 true 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) |
Citations (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 |
| WO2017105862A1 (en) * | 2015-12-18 | 2017-06-22 | Laitram, L.L.C. | Conveyor measuring system |
-
2021
- 2021-12-17 CZ CZ2021-579A patent/CZ310087B6/cs unknown
Patent Citations (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 |
| WO2017105862A1 (en) * | 2015-12-18 | 2017-06-22 | Laitram, L.L.C. | Conveyor measuring system |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CZ2021579A3 (cs) | 2023-06-28 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Bastola et al. | Magnetic circuit analysis to obtain the magnetic permeability of magnetorheological elastomers | |
| 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 | |
| Pierratos et al. | Study of the conservation of mechanical energy in the motion of a pendulum using a smartphone | |
| Atkin | Construction of a simple low-cost teslameter and its use with Arduino and MakerPlot software | |
| CZ310087B6 (cs) | Výukový model úlohy závaží na pružině s měřením délky pružiny | |
| Gudoshnikov et al. | Investigation of the properties of Co-rich amorphous ferromagnetic microwires by means of small angle magnetization rotation method | |
| CN102193105A (zh) | 电子感应震前特征性磁异常的防震预警器 | |
| Csernovszky et al. | Study of damped oscillations using Phyphox and Arduino controlled Hall-sensor | |
| Bydžovský et al. | Strain sensors based on stress-annealed Co69Fe2Cr7Si8B14 amorphous ribbons | |
| Pérez et al. | Analytical model for the sensitivity of a toroidal fluxgate sensor | |
| Boháč et al. | Educational device for demonstrating Lenz’s law | |
| Quinn et al. | A simple watt balance for the absolute determination of mass | |
| Zdeshchyts et al. | Measuring Earth’s mean density using BYOD technology | |
| CN203464986U (zh) | 一种电磁力平衡的微量天平 | |
| Connelly et al. | Galvanometers and the many lives of scientific instruments | |
| RU119117U1 (ru) | Датчик для дефектоскопии стальных стержней | |
| CN201844871U (zh) | 一种新型电子天平传感器 | |
| Simić et al. | Computer sound card as a tool to study of fast changing electromagnetic phenomena | |
| Kazup et al. | Cutting force measurement of electrical jigsaw by strain gauges | |
| Erol et al. | Mathematical Modeling and Teaching of Outer Magnetic Field of a Solenoid Using Smartphones | |
| Pathare et al. | Low-cost alternative for signal generators in the physics laboratory | |
| Kaps et al. | Using the smartphone as oscillation balance | |
| Sowiński et al. | Laboratory stand for fluxgate level measurement | |
| Kaps et al. | Investigation of the flux density of a solenoid using the magnetometer of smartphones | |
| CN214428188U (zh) | 一种定量探究单摆周期影响因素的实验装置 |