PL217048B1 - Urządzenie do wizualizacji drgań złożonych - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie do wizualizacji drgań złożonych, mające zastosowanie w pracowniach fizycznych do badana toru ciała, uczestniczącego jednocześnie w dwóch wzajemnie prostopadłych ruchach drgających.

Urządzenia do wizualizacji drgań złożonych znane są z książki Tadeusza Dryńskiego, pt. „Doświadczenia pokazowe z fizyki”, wydanej przez Państwowe Wydawnictwo Naukowe w Warszawie w 1964 r. Pierwsze z tych urządzeń stanowi podwójne wahadło sporządzone z linek, przy czym każde wahadło złożone jest z dwóch linek przywiązanych tak, że tworzą one kształt litery V. Górne wahadło zawieszone jest na poziomej porzeczce statywu, a dolne przywiązane do poziomej listewki podwieszonej do zwisających końców linek wahadła górnego. Do dolnego wahadła przywiązany jest lejek wypełniony drobnym, suchym piaskiem, a pod zamkniętym początkowo wylotem lejka ułożona została pozioma płyta. Działanie urządzenia potęga na tym, że oba wahadła wprawia się w drgania w kierunkach wzajemnie prostopadłych przez odchylenie ich od pionu i puszczenie swobodne oraz otwiera wylot lejka. Skutkiem tego, oba z wahadeł zostają wprawione w drgania harmoniczne, tłumione, a lejek porusza się ruchem drgającym złożonym. Wysypujący się z lejka cienki strumień piasku znaczy tor ruchu lejka na poziomej płycie. Częstotliwość drgań obu wahadeł można regulować przez zmianę długości linek tworzących każde z wahadeł.

Inne, znane z książki Tadeusza Dryńskiego urządzenie do wizualizacji drgań złożonych stanowi podwójne wahadło, utworzone z dwóch rurek podwieszonych za górny koniec do poziomej poprzeczki statywu i połączonych przegubowo za pomocą przegubu Cardana. Na końcu dolnej rurki zamocowany jest początkowo zamknięty lejek z drobnym, suchym piaskiem, a pod lejkiem znajduje się pozioma zamknięta taśma nałożona na dwie rolki. Działanie urządzenia polega na tym, że wahadła wprawia się w drgania w kierunkach wzajemnie prostopadłych lub równoległych przez odchylenie od pionu i puszczenie swobodne oraz otwiera wylot lejka. W wyniku tego, wahadła zaczynają wykonywać drgania harmoniczne, tłumione, a lejek bierze udział w ruchu drgającym, złożonym dwóch drgań w kierunkach wzajemnie prostopadłych lub równoległych. Piasek wysypujący się z lejka znaczy tor ruchu tych drgań złożonych na taśmie, przy czy w przypadku drgań, odbywających się w tych samych kierunkach taśma jest przesuwana ruchem jednostajnym, co powoduje wykreślenie przez wysypujący się piasek zależności zmian tych drgań od czasu.

Także z książki Tadeusza Dryńskiego znane jest urządzenie do wizualizacji drgań złożonych, Zbudowane jest ono z prostokątnej, pionowej ramki, do której przymocowane są dwie płaskie sprężyny. Na końcach każdej z nich umieszczone jest małe, płaskie zwierciadło. Jedna ze sprężyn przymocowana została do ramki poziomo, a druga pionowo. Obok układu sprężyn znajduje się źródło światła, wysyłające promień świetlny, skierowany tak, że pada on na jedno ze zwierciadeł, odbija się od niego i pada na drugie zwierciadło, od którego również ulega odbiciu i w końcu pada na pionowy ekran umieszczony obok urządzenia. Działanie urządzenia polega na tym, że włącza się źródło światła, odchyla sprężyny ze zwierciadłami od położenia równowagi i puszcza swobodnie. W wyniku tego, każde ze zwierciadeł wykonuje drgania harmoniczne tłumione wokół położenia równowagi, przy czym kierunki tych drgań są wzajemnie prostopadłe. Promień światła padający na zwierciadła ulega odchyleniu o pewien kąt od początkowego kierunku przez każde ze zwierciadeł i w wyniku tego jego wypadkowe odchylenie odpowiada przemieszczeniu punktu wykonującego drgania złożone w kierunkach wzajemnie prostopadłych. Przemieszczenie tego promienia jest obserwowane na ekranie, jako obraz toru ciała wykonującego drgania złożone.

Znane z książki Tadeusza Dryńskiego urządzenie do wizualizacji drgań złożonych zbudowane jest ze sprężystego płaskownika, zgiętego pod kątem prostym i przymocowanego dolnym końcem do brzegu stołu. Jeden odcinek tego piaskownika ma kierunek pionowy, a drugi poziomy. Na końcu poziomego odcinka przewodnika umocowane jest małe płaskie zwierciadło. Obok płaskownika znajduje się źródło światła, emitujące promień świetlny, który pada na zwierciadło i odbija się od niego, a następnie pada na pionowy ekran, dając świecącą plamkę. Działanie urządzenia polega na tym, że oba odcinki płaskownika odchyla się od ich położeń równowagi i puszcza swobodnie, przez co zaczynają one wykonywać drgania harmoniczne, tłumione, a zwierciadło uczestniczy w ruchu drgającym złożonym i odchyla padający na nie promień. Odchylenie to odpowiada przemieszczeniu ciała wykonującego drgania złożone, co uwidacznia się ekranie w postaci ruchu plamki kreślącej tor drgającego zwierciadła.

PL 217 048 B1

Również Tadeusz Dryński w cytowanej książce ujawnia znane urządzenie do wizualizacji drgań złożonych, wykonane z pionowo ustawionego i zamocowanego za dolny koniec sprężystego płaskownika, który w pewnej odległości od punktu zamocowania skręcony jest wokół pionowej osi o kąt 90°. Do górnego końca tego płaskownika przymocowane jest małe, płaskie zwierciadło ustawione pod kątem 43° do osi pionowej tego płaskownika. Obok płaskownika znajduje się źródło światła i pionowy ekran, przy czym źródło to wysyła promień świetlny, padający na zwierciadło i odbijający się od niego a następnie padający na ekran i dający na nim świecącą plamkę. Działanie urządzenia polega na tym, że odcinek płaskownika, znajdujący się poniżej skręcenia odchyla się od pionu w kierunku prostopadłym do jego płaskiej powierzchni i w taki sam sposób odchyla się odcinek płaskownika znajdujący się powyżej skręcenia. Następnie, oba odcinki puszcza się swobodnie i wykonują one drgania harmoniczne tłumione w kierunkach wzajemnie prostopadłych. Zwierciadło natomiast, porusza się ruchem drgającym złożonym i odchyla padający na nie promień świetlny tak, że przemieszcza się on po ekranie kreśląc tor ruchu ciała, biorącego udział w tych drganiach.

Znane urządzenie do wizualizacji drgań złożonych ujawnione jest również w książce Richard'a Manliffe Sutton'a, pt. „Demonstration Experiments in Physics”, wydanej przez wydawnictwo McGraw-Hill Book Company, Inc. w Nowym Jorku i w Londynie w 1938 r. Urządzenie to składa się z dwóch sprężystych prętów ustawionych pionowo i połączonych ze sobą, przy czym dolny koniec niżej umieszczonego pręta zamocowany jest w imadle, a górny koniec wyżej umieszczonego pręta zaopatrzony został w zwierciadło płaskie. Oprócz tego, obok układu prętów znajduje się źródło światła, wysyłające promień świetlny, który pada na zwierciadło oraz na ekran, na którym zaznacza się plamka świetlna po odbiciu promienia od zwierciadła. Działanie tego urządzenia jest takie samo, jak działanie urządzenia do wizualizacji drgań z płaskownikiem skręconym wokół pionowej osi o kąt 90° opisanego w książce Tadeusza Dryńskiego.

Także znane urządzenie do wizualizacji drgań złożonych ujawnione jest na stronie internetowej Uniwersytetu Minnesota (USA) o adresie http://www.physics.umn.edu/groups.demo_gifs/3A80.GIF.

Urządzenie to składa się z oscyloskopu katodowego z wyłączoną postawą czasu, a do wejścia odchylania w kierunku osi pionowej tego oscyloskopu oraz do wejścia zewnętrznej podstawy czasu dołączone są dwa generatory funkcyjne. Sygnały drgań elektrycznych, pochodzące z tych generatorów powodują odchylenie kierunku ruchu strumienia elektronów, który przez to porusza się ruchem drgającym złożonym z drgań w kierunkach wzajemnie prostopadłych i tor tego ruchu zostaje uwidoczniony w postaci świecącej linii na ekranie oscyloskopu, wytworzonej w wyniku jego luminescencji pod wpływem padających elektronów.

Również na stronie internetowej Uniwersytetu Minnesota o adresie http://www.physics.umn.edu/groups.demo_gifs/3A10.GIF ujawnione jest urządzenie do wizualizacji drgań złożonych, stanowiące podwójne wahadło sporządzone z linek i lejka z piaskiem, zbudowane tak samo i tak samo działające, jak podwójne wahadło zbudowane z linek tworzących kształt litery V, znane z cytowanej książki Tadeusza Dryńskiego.

Urządzenie do wizualizacji drgań złożonych znane jest także z opisu patentowego nr 781 090, wydanego przez Urząd Patentowy Związku Radzieckiego w 1980 r. Znane urządzenie składa się z dwóch nieruchomych, wzajemnie prostopadłych prowadnic, po których mogą przesuwać się dwie karetki z umieszczonymi w nich końcami dwóch linijek połączonych ze sobą dwiema krzyżującymi się tulejkami, połączonymi wspólną osią z nakrętką zaciskową. Do osi tych tulejek przymocowany jest przyrząd piszący. Prowadnice przymocowane są do płyty, a na jej brzegach przeciwległych do prowadnic znajdują się dwa współśrodkowe zestawy kół połączone przekładnią pasową. Do osi każdego z tych zestawów przymocowana jest prowadnica ze szczeliną, w której może poruszać się suwliwie kołek tulejki nałożonej na linijkę. Zasada działania znanego urządzenia polega na tym, że pas przekładni nakłada się na koła o wybranych średnicach, których stosunek odpowiada stosunkowi częstotliwości drgań składowych. Jedno z kół wprawia się ruch obrotowy, co przez przekładnię pasową powoduje również ruch obrotowy drugiego koła i przesuwanie się prowadnic oraz skrzyżowanych tulejek z przyrządem piszącym, który uczestniczy w ruchu drgającym złożonym, a przyrząd piszący kreśli tor tego ruchu na arkuszu papieru umieszczonym na podstawie urządzenia. Jeżeli, krzyżujące się tulejki tworzą kąt prosty, to przyrząd wizualizuje drgania, zachodzące w kierunkach wzajemnie prostopadłych a jeżeli kąt ten jest inny, niż prosty to wizualizowane są drgania zachodzące w kierunkach ukośnych.

Jeszcze inne urządzenie do wizualizacji drgań złożonych znane jest z opisu patentowego nr 5 526 076, wydanego przez Urząd Patentowy Stanów Zjednoczonych w 1996 r. Urządzenie to ma kształt pudełka zbliżonego do prostopadłościanu i zaopatrzonego od góry w rękojeść, a z przodu

PL 217 048 B1 w ukośnie ustawione, przezroczyste okienko. Wewnątrz pudełka w jego tylnej części znajduje się źródło światła w postaci żarówki zasilanej z dwóch cylindrycznych baterii połączonych z żarówką i ze sobą szeregowo poprzez umieszczony od góry pudełka wyłącznik. Przed żarówką znajduje się soczewka skupiająca, która działa jak kondensor i formuje światło wychodzące z żarówki w wąską, równoległą wiązkę. Wiązka ta przechodzi następnie przez kołową tarczę z barwnymi przesłonami zamocowaną na osi i pokręcaną z zewnątrz pudełka za jej wystający fragment. Przesłony te spełniają rolę filtrów optycznych, powodując zmianę barwy wiązki światła. Wewnątrz pudełka, w jego przedniej części, znajdują się dwa płaskie zwierciadła prawie równoległe do siebie i zwrócone ku sobie powierzchniami odbijającymi. Zwierciadła te przymocowane są do obudowy za pomocą spiralnych, śrubowych sprężyn, a ich położenie można zmieniać ręką przez nacisk na wystające na zewnątrz obudowy fragmenty zwierciadeł. Działanie przyrządu polega na tym, że wyłącznikiem zamyka się obwód elektryczny żarówki, w wyniku czego zaczyna ona świecić, a wysyłane przez nią światło daje wąską, równoległą i barwną wiązkę, która pada kolejno na zwierciadła, odbija się od nich i wychodzi na zewnątrz przez okienko dając barwną plamkę na ekranie lub innej powierzchni. Poprzez nacisk na wystające z obudowy części zwierciadeł i ich swobodne puszczenie zostają one wprawione w drgania harmoniczne tłumione i powodują odchylenie plamki na ekranie, która wykonuje drgania złożone i uwidacznia ich tory. Amplitudę, fazę i kierunek tych drgań można zmieniać przez zmianę miejsca, siły i czasu nacisku na wystające części zwierciadeł.

Także z opisu patentowego nr JP 4 034 374, wydanego przez Japoński Urząd Patentowy w 1992 r. znane jest urządzenie do wizualizacji drgań złożonych, odbywających się w kierunkach wzajemnie prostopadłych. Urządzenie to składa się z oscyloskopu katodowego, a do jego zacisków odchylania poziomego przyłączony jest bezpośrednio generator, wytwarzający napięcie sinusoidalne. Do wyjścia tego samego generatora przyłączony został przesuwnik fazy oraz powielacz częstotliwości. Napięcie sinusoidalne po przejściu przez ten przesuwnik i powielacz przykładane jest do zacisków odchylania pionowego oscyloskopu. W wyniku tego, wiązka elektronów znajduje się w wykonującym złożone drgania polu elektrycznym i wytwarza na ekranie oscyloskopu katodowego świecącą plamkę, przesuwającą się tak, że obrazuje ona przebieg tych drgań.

Urządzenie do wizualizacji drgań złożonych według wynalazku składa się z diody laserowej, zasilanej napięciem stałym, umieszczonej w obudowie. Dioda wysyła monochromatyczny promień światła, obrazujący tor ruchu drgającego ciała na ekranie prostopadłym do kierunku promienia. W jego skład wchodzą także dwa sprzężone mechanicznie głośniki elektrodynamiczne, korzystnie nisko- lub średniotonowe, z których jeden ma dużą moc, a drugi mniejszą. Obudowa diody laserowej przymocowana jest do lekkiej kołyski osadzonej na osi ułożyskowanej na końcach w dwóch łożyskach tocznych. Zewnętrzne pierścienie tych łożysk osadzone są w kątowych wspornikach przymocowanych do brzegu kosza głośnika o mniejszej mocy, którego membrana połączona jest za pomocą łącznika, zaopatrzonego od dołu w pierścień, przyklejony do środkowej części tej membrany, a od góry wyposażonego w ucho, nałożone na łożysko toczne. W jego wewnętrznym pierścieniu osadzona jest oś połączona z końcem kołyski, znajdującym się bliżej środka membrany głośnika, który zamocowany jest współosiowo w uchwycie mogącym obracać się na łożysku tocznym osadzonym na pionowym pręcie połączonym prostopadłe z podstawą. Uchwyt zaopatrzony jest od dołu w mimośrodowo usytuowany sworzeń, na którym osadzone jest łożysko toczne. Na łożysko nałożone jest ucho sprzęgacza równoległego do podstawy. Sprzęgacz z przeciwnej strony zakończony został kabłąkiem przyklejonym do membrany głośnika o dużej mocy. Membrana ta jest korzystnie wycięta w części zewnętrznej, a głośnik umieszczony jest w obejmie połączonej radialnie z prętem przymocowanym prostopadle do podstawy.

Urządzenie do wizualizacji drgań złożonych według wynalazku pozwala na długotrwałą obserwację niegasnących i stabilnych drgań złożonych. Zaletą jest również fakt, że drgające elementy są dobrze widoczne, co zapewnia poglądowość wykonywanych doświadczeń. Użyta w urządzeniu dioda laserowa zapewnia otrzymanie wyraźnego obrazu drgań o dużych rozmiarach na ekranie, co daje w prosty sposób dobrą widoczność dla licznej grupy osób, np. podczas wykładu. Zastosowanie elektronicznych generatorów funkcyjnych lub dodatkowo przesuwnika fazy oraz powielacza częstotliwości umożliwia precyzyjne zadawanie częstotliwości, amplitudy i fazy niezależnie dla każdego kierunku drgań oraz badanie drgań o różnych zależnościach wychylenia od czasu, np. trójkątnym, czy prostokątnym, a nie tylko zależności sinusoidalnych, jak w przypadku drgających sprężyn i wahadeł. Ponadto, użycie w urządzeniu głośników elektrodynamicznych eliminuje wpływ zniekształceń nieliniowych podczas przetwarzania sygnałów elektrycznych na ruch świecącej plamki na ekranie. Dodatkową zalePL 217 048 B1 tą urządzenia według wynalazku jest prosta i przejrzysta konstrukcja oraz zastosowanie tanich i łatwo dostępnych podzespołów, którymi są głośniki elektrodynamiczne i dioda laserowa.

Przedmiot wynalazku pokazany jest w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia widok urządzenia do wizualizacji drgań złożonych z boku, a fig. 2 - widok urządzenia z góry.

Urządzenie do wizualizacji drgań złożonych według wynalazku składa się z diody laserowej 1, zasilanej napięciem stałym U, umieszczonej w obudowie 2, przy czym dioda wysyła monochromatyczny promień światła 3, obrazujący tor ruchu drgającego ciała na ekranie 4, prostopadłym do kierunku promienia 3. Dioda laserowa 1 wprawiana jest w drgania złożone, odbywające się w dwóch wzajemnie prostopadłych kierunkach za pomocą dwóch sprzężonych mechanicznie głośników elektrodynamicznych, korzystnie nisko- lub średniotonowych. Jeden z tych głośników 5 ma dużą moc i wykonuje drgania w kierunku równoległym do podstawy urządzenia 6, zaś drugi głośnik 7 o mniejszej mocy wykonuje drgania w kierunku prostopadłym do podstawy 6. Obudowa 2 diody laserowej 1 przymocowana jest do lekkiej kołyski 8, osadzonej na osi 9, ułożyskowanej na końcach w dwóch łożyskach tocznych 10, 11, przy czym zewnętrzne pierścienie tych łożysk osadzone są w kątowych wspornikach 12, 13, przymocowanych do brzegu kosza 14 głośnika o mniejszej mocy 7. Membrana 15 tego głośnika połączona jest za pomocą łącznika 16, zaopatrzonego od dołu w pierścień 17, przyklejony do środkowej części tej membrany, a od góry wyposażonego w ucho 18, nałożone na łożysko toczne 19, w którego wewnętrznym pierścieniu osadzona jest oś 20, połączona z końcem kołyski 8, znajdującym się bliżej środka membrany głośnika 7. Głośnik ten zamocowany jest współosiowo w uchwycie 21, mogącym obracać się na łożysku tocznym 22, osadzonym na pionowym pręcie 23, połączonym prostopadle z podstawą 6. Uchwyt 21, zaopatrzony jest od dołu w mimośrodowo usytuowany sworzeń 24, na którym osadzone jest łożysko toczne 25, a na to łożysko nałożone zostało ucho 26 sprzęgacza 27, równoległego do podstawy 6. Sprzęgacz ten z przeciwnej strony zakończony został kabłąkiem 28 przyklejonym do membrany 29 głośnika o dużej mocy 5, przy czym membrana ta jest korzystnie wycięta w części zewnętrznej. Głośnik 5, umieszczony jest w obejmie 30, połączonej radialnie z prętem 31, przymocowanym prostopadle do podstawy 6.

Zasada działania urządzenia do wizualizacji drgań złożonych według wynalazku polega na tym, że do końcówek diody laserowej 1 przykłada się stałe napięcie zasilające w kierunku przewodzenia diody i w wyniku tego emituje ona monochromatyczny promień światła 3, padający na ekran 4. Promień ten daje nieruchomy, świecący punkt widoczny na ekranie. Następnie, do końcówek głośników elektrodynamicznych o dużej mocy 5 i o mniejszej mocy 7, przykłada się zmienne napięcia zasilające, odpowiednio Ux oraz Uy, pochodzące z dwóch niezależnych, elektronicznych generatorów funkcyjnych albo z pojedynczego, elektronicznego generatora funkcyjnego, do wyjścia którego przyłączony jest bezpośrednio jeden z głośników, a drugi głośnik zasilany jest poprzez dzielnik lub powielacz częstotliwości i przesuwnik fazy, przyłączone równolegle do tego samego wyjścia generatora. Napięcie zasilające Ux powoduje, że membrana 29 głośnika o dużej mocy 5 zostaje wprawiona w drgania o kierunku równoległym do podstawy urządzenia 6 i poprzez sprzęgacz 27 wymusza drgania skrętne głośnika o mniejszej mocy 7. Z kolei, napięcie zasilające Uy powoduje drgania membrany 15 głośnika o mniejszej mocy 7 w kierunku prostopadłym do podstawy 6 i poprzez łącznik 16 wymusza drgania kołyski 8 wraz z diodą laserową 1. W wyniku tego, dioda laserowa 1 i promień 3 wykonują drgania złożone w dwóch wzajemnie prostopadłych kierunkach i tor tych drgań jest obserwowany na ekranie 4. Zmieniając amplitudy napięć, ich zależności od czasu, częstotliwości oraz fazy początkowe można obserwować wpływ tych parametrów na kształt toru drgań złożonych.

Claims (1)

1. Urządzenie do wizualizacji drgań złożonych, znamienne tym, że składa się z diody laserowej (1), zasilanej napięciem stałym (U), umieszczonej w obudowie (2), przy czym dioda wysyła monochromatyczny promień światła (3), obrazujący tor ruchu drgającego ciała na ekranie (4), prostopadłym do kierunku promienia (3), dwóch sprzężonych mechanicznie głośników elektrodynamicznych, korzystnie nisko- lub średniotonowych, z których jeden (5) ma dużą moc, a drugi (7) ma mniejszą moc, zaś obudowa (2) diody laserowej (1) przymocowana jest do lekkiej kołyski (8), osadzonej na osi (9), ułożyskowanej na końcach w dwóch łożyskach tocznych (10, 11), przy czym zewnętrzne pierścienie tych łożysk osadzone są w kątowych wspornikach (12, 13), przymocowanych do brzegu kosza (14)

   PL 217 048 B1 głośnika o mniejszej mocy (7), którego membrana (15) połączona jest za pomocą łącznika (16), zaopatrzonego od dołu w pierścień (17), przyklejony do środkowej części tej membrany, a od góry wyposażonego w ucho (18), nałożone na łożysko toczne (19), w którego wewnętrznym pierścieniu osadzona jest oś (20), połączona z końcem kołyski (8), znajdującym się bliżej środka membrany głośnika (7), który zamocowany jest współosiowo w uchwycie (21), mogącym obracać się na łożysku tocznym (22), osadzonym na pionowym pręcie (23), połączonym prostopadle z podstawą (6), przy czym uchwyt (21), zaopatrzony jest od dołu w mimośrodowo usytuowany sworzeń (24), na którym osadzone jest łożysko toczne (25), a na to łożysko nałożone jest ucho (26) sprzęgacza (27), równoległego do podstawy (6), który z przeciwnej strony zakończony został kabłąkiem (28) przyklejonym do membrany (29) głośnika o dużej mocy (5), zaś membrana ta jest korzystnie wycięta w części zewnętrznej, a głośnik (5), umieszczony jest w obejmie (30), połączonej radialnie z prętem (31), przymocowanym prostopadle do podstawy (6).