PL217486B1 - Układ do badania drgań złożonych - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest układ do badania drgań złożonych, mający zastosowanie w pracowniach fizycznych do analizy toru ciała, uczestniczącego jednocześnie w dwóch ruchach drgających, które odbywają się wzdłuż prostych tworzących ze sobą pewien kąt.

Znany układ do badania drgań złożonych ujawniony został na stronie internetowej Uniwersytetu

Minnesota o adresie http://www.physics.umn.edu/groups.demo gifs/3A80.GIF. Układ zbudowany jest 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.

Także z opisu patentowego nr JP 4034374, wydanego przez Japoński Urząd Patentowy w 1992 r. znany jest układ do badania drgań złożonych, odbywających się w kierunkach wzajemnie prostopadłych. Układ ten zbudowany jest z oscyloskopu katodowego, a do jego zacisków odchylania poziomego przyłączony został 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.

Układ do badania drgań złożonych znany jest również z książki Tadeusza Dryńskiego, pod tytułem „Doświadczenia pokazowe z fizyki”, wydanej przez Państwowe Wydawnictwo Naukowe w Warszawie w 1964 r. Układ zbudowany został z prostokątnej, pionowej ramki, do której przymocowane są dwie płaskie sprężyny. Na końcach każdej z tych sprężyn 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 układu. Działanie układu 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 wypadkowe odchylenie promienia odpowiada przemieszczeniu punktu wykonującego drgania złożone w kierunkach wzajemnie prostopadłych. Przemieszczenie tego promienia jest obserwowane na ekranie, jako obraz toru ciała wykonującego drgania złożone.

Inny, znany z książki Tadeusza Dryńskiego układ do badania drgań złożonych, zbudowany jest ze sprężystego płaskownika, zgiętego pod kątem prostym i przymocowanego dolnym końcem do brzegu stołu. Jeden odcinek tego płaskownika ma kierunek pionowy, a drugi poziomy. Na końcu poziomego odcinka płaskownika 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 układu 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 na ekranie w postaci ruchu plamki kreślącej tor drgającego zwierciadła.

Również Tadeusz Dryński w cytowanej książce ujawnia znany układ do badania drgań złożonych, zbudowany 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 zostało małe, płaskie zwierciadło ustawione pod kątem 45° 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 układu polega na tym, że

PL 217 486 B1 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.

Znany układ do badania drgań złożonych ujawniony jest ponadto w książce Richard'a Manliffe, Sutton'a, pod tytułem „Demonstration Experiments in Physics”, wydanej przez wydawnictwo McGraw-Hill Book Company Inc. w Nowym Jorku i w Londynie w 1938 r. Układ ten zbudowany został 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 ododbiciu promienia od zwierciadła. Działanie tego układu jest takie samo, jak działanie układu do badania drgań złożonych z płaskownikiem skręconym wokół pionowej osi o kąt 90°, opisanego w książce Tadeusza Dryńskiego.

Układ do badania drgań złożonych znany jest także z opisu patentowego nr 781 090, wydanego przez Urząd Patentowy Związku Radzieckiego w 1980 r. Znany układ zbudowany został 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 układu polega na tym, że pas przekładni umieszcza się na kołach o wybranych średnicach, których stosunek odpowiada stosunkowi częstotliwości drgań składowych. Jedno z kół wprawia się w 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.

Istota rozwiązania według wynalazku polega na tym, że układ do badania drgań złożonych zbudowany jest z dwóch przystosowanych głośników elektrodynamicznych, z których każdy składa się z kosza w kształcie stożka ściętego, a do kosza za pomocą resorów zewnętrznego i wewnętrznego przymocowana jest membrana, również w kształcie stożka ściętego, mogąca wykonywać drgania wzdłuż osi stożka. Mniejszy otwór membrany zamknięty jest płaskim denkiem zaopatrzonym w tulejkę z nawiniętą na nim cewką drgającą, przy czym cewka porusza się w cylindrycznej szczelinie powietrznej, wypełnionej polem magnetycznym o symetrii radialnej. Pole to wytwarzane jest przez pierścieniowy magnes trwały, zamknięty od tyłu cylindrycznym rdzeniem i mający nałożony z przodu pierścieniowy nabiegunnik. Rdzeń i nabiegunnik wykonane są ze stali magnetycznie miękkiej, a nabiegunnik przymocowany został do węższej części kosza głośnika. Rozwiązanie głośników polega na tym, że każdy z nich zaopatrzony jest w elastyczny, wygięty łukowo i odbijający światło pasek, wykonany korzystnie z metalizowanej folii poliestrowej, którego jeden koniec przymocowany jest za pomocą klocka zewnętrznego do brzegu kosza głośnika. Drugi koniec przymocowany został za pomocą klocka wewnętrznego do denka zamykającego membranę. Pierwszy z przystosowanych głośników elektrodynamicznych przymocowany jest nieruchomo za pomocą wspornika do poziomej podstawy, przy czym obijający światło pasek tego głośnika ma kierunek poziomy, a cewka drgająca tego głośnika zasilana jest z pierwszego, elektronicznego generatora funkcyjnego. Magnes drugiego z przystosowanych głośników elektrodynamicznych umieszczony jest w pierścieniowej obejmie i unieruchamiany za pomocą radialnie usytuowanego wkrętu. Głośnik ten może być obracany w obejmie wokół osi poziomej, przez co odbijający światło pasek tego głośnika może przyjmować dowolny kierunek w płaszczyźnie pionowej. Obejma tego głośnika przymocowana została do za pomocą wspornika do poziomej podstawy, a cewka drgająca tego głośnika zasilana jest z drugiego, elektronicznego generatora funkcyjnego. Ponadto, w układzie znajduje się źródło światła, wysyłające promień świetlny, korzystnie dioda

PL 217 486 B1 laserowa, przymocowane do poziomej podstawy za pomocą wspornika i zasilana z zasilacza prądu stałego P oraz umieszczony poza podstawą biały pionowy ekran.

Zalety układu do badania drgań złożonych według wynalazku polegają na tym, że wszystkie elementy drgające są dobrze widoczne, co pozwala w prosty i poglądowy sposób pokazać powstanie drgań złożonych, drgania te są stabilne i niegasnące oraz mogą być przez długi czas obserwowane na ekranie o dużych rozmiarach i łatwo utrwalane. Zastosowanie elektronicznych generatorów funkcyjnych lub dodatkowo przesuwnika fazy oraz powielacza albo dzielnika częstotliwości umożliwia precyzyjne zadawanie częstotliwości, amplitudy i fazy niezależnie dla każdego kierunku drgań oraz badanie drgań o różnych zależnościach wychylenia od czasu, na przykład trójkątnych, czy prostokątnych, a nie tylko zależności sinusoidalnych, jak w przypadku drgających sprężyn i wahadeł. Ponadto, użycie w układzie głośników elektrodynamicznych eliminuje wpływ zniekształceń nieliniowych podczas przetwarzania sygnałów elektrycznych na ruch świecącej plamki na ekranie. Dzięki obrotowemu zamocowaniu drugiego głośnika elektrodynamicznego można za pomocą układu badać drgania odbywające się w kierunkach tworzących ze sobą dowolny kąt. Zaletą zastosowania w układzie diody laserowej jest również wyraźny i dużych rozmiarów obraz drgań widoczny na ekranie. Dodatkową zaletą układu według wynalazku jest 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 przystosowany głośnik elektrodynamiczny w przekroju osiowym, a fig. 2 ukazuje ogólny widok układu do badania drgań złożonych.

Układ do badania drgań złożonych według wynalazku zbudowany jest z dwóch przystosowanych głośników elektrodynamicznych, z których każdy składa się z kosza 1 w kształcie stożka ściętego, a do kosza za pomocą resorów zewnętrznego 2 i wewnętrznego 3 przymocowana jest membrana 4, również w kształcie stożka ściętego, mogąca wykonywać drgania wzdłuż osi stożka. Mniejszy otwór membrany zamknięty jest płaskim denkiem 5, zaopatrzonym w tulejkę 6 z nawiniętą na nim cewką drgającą 7, przy czym cewka porusza się w cylindrycznej szczelinie powietrznej, wypełnionej polem magnetycznym o symetrii radialnej. Pole to wytwarzane jest przez pierścieniowy magnes trwały 8, zamknięty od tyłu cylindrycznym rdzeniem 9 i mający nałożony z przodu pierścieniowy nabiegunnik 10, przy czym rdzeń i nabiegunnik wykonane są ze stali magnetycznie miękkiej, a nabiegunnik przymocowany został do węższej części kosza głośnika 1. Przystosowanie głośników polega na tym, że każdy z nich zaopatrzony jest w elastyczny, wygięty łukowo i odbijający światło pasek 11, wykonany korzystnie z metalizowanej folii poliestrowej, którego jeden koniec przymocowany jest za pomocą klocka zewnętrznego 12 do brzegu kosza głośnika 1, a drugi koniec przymocowany został za pomocą klocka wewnętrznego 13 do denka 5, zamykającego membranę 4. Pierwszy z przystosowanych głośników elektrodynamicznych 14, przymocowany jest nieruchomo za pomocą wspornika 15 do poziomej podstawy 16, przy czym obijający światło pasek 17 tego głośnika ma kierunek poziomy, a cewka drgająca 7 tego głośnika zasilana jest z elektronicznego generatora funkcyjnego G1. Magnes 8 drugiego z przystosowanych głośników elektrodynamicznych 18, umieszczony jest w pierścieniowej obejmie 19 i unieruchamiany za pomocą radialnie usytuowanego wkręta 20, przy czym głośnik ten może być obracany w obejmie wokół osi poziomej, przez co odbijający światło pasek 21 tego głośnika może przyjmować dowolny kierunek w płaszczyźnie pionowej. Obejma 19 tego głośnika przymocowana została do za pomocą wspornika 22 do poziomej podstawy 16, a cewka drgająca 7 tego głośnika zasilana jest z elektronicznego generatora funkcyjnego G2. Ponadto, w układzie znajduje się źródło światła 23, wysyłające promień świetlny AO, korzystnie dioda laserowa, przymocowane do poziomej podstawy 16 za pomocą wspornika 24 i zasilane z zasilacza prądu stałego P oraz umieszczony poza podstawą biały, pionowy ekran 25.

Zasada działania układu do badania drgań złożonych według wynalazku polega na tym, że do źródła światła 23 przykłada się napięcie zasilające z zasilacza prądu stałego P, skutkiem czego źródło wysyła, promień świetlny AO, padający na odbijający światło pasek 17 pierwszego głośnika elektrodynamicznego 14 w punkcie O. Promień AO po odbiciu od paska pierwszego głośnika 14 staje się promieniem OB i pada na odbijający światło pasek 21 drugiego głośnika elektrodynamicznego 18 w punkcie B, a po odbiciu od tego paska jako promień BC pada na biały pionowy ekran 25 w punkcie C. Następnie, włącza się elektroniczne generatory funkcyjne G1 i G2, co powoduje przyłożenie napięć zasilających do cewek drgających obu głośników elektrodynamicznych 14 i 18 i wprawienie w drgania ich membran przez siły elektrodynamiczne działające na cewki w kierunku podłużnej osi każdego z głośników oraz zginanie odbijających światło pasków 17 i 21. W wyniku tego, zmienia się kąt padaPL 217 486 B1 nia a promienia AO na odbijający światło pasek 17 pierwszego głośnika elektrodynamicznego 14 i promień ten ulega odchyleniu w płaszczyźnie drgań paska 17, po czym padając na odbijający światło pasek 21 drugiego głośnika elektrodynamicznego 18 również ulega odchyleniu w płaszczyźnie drgań paska 21. W końcowym efekcie promień BC wprawiany jest w drgania złożone z drgań wykonywanych przez odbijające światło paski 17 i 21 obu głośników elektrodynamicznych 14 i 18 i na ekranie 25 promień ten wykreśla linię 26, stanowiącą tor tych drgań, która może być utrwalona, na przykład przez fotografowanie, co pozwala na badanie drgań złożonych. Odkręcając wkręt 20 w pierścieniowej obejmie 19 drugiego głośnika elektrodynamicznego 18 i obracając ten głośnik o pewien kąt, a następnie dokręcając ponownie wkręt 20 zmienia się wzajemną orientację kierunków składanych drgań, co wpływa na kształt toru 26. Kształt toru 26 można również zmieniać przez zmianę: amplitud, częstotliwości, faz początkowych i wybór zależności przebiegu sygnału od czasu, na przykład sinusoidalnego, trójkątnego, prostokątnego obu generatorów funkcyjnych G1, G2. Zamiast dwóch generatorów funkcyjnych G1, G2, przyłączonych oddzielnie do każdego z głośników elektrodynamicznych 14 i 18, może być zastosowany jeden generator funkcyjny, przyłączony bezpośrednio do pierwszego głośnika elektrodynamicznego 14, a drugi głośnik elektrodynamiczny 18 może być przyłączony równolegle do pierwszego głośnika poprzez dzielnik albo powielacz częstotliwości i przesuwnik fazy.

Claims (2)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Układ do badania drgań złożonych, mający dwa przystosowane głośniki elektrodynamiczne, z których każdy składa się z kosza w kształcie stożka ściętego, a do kosza za pomocą resorów zewnętrznego i wewnętrznego przymocowana jest membrana, również w kształcie stożka ściętego, mogąca wykonywać drgania wzdłuż osi stożka, przy czym mniejszy otwór membrany zamknięty jest płaskim denkiem, zaopatrzonym w tulejkę z nawiniętą na nim cewką drgającą, przy czym cewka może poruszać się w cylindrycznej szczelinie powietrznej, wypełnionej polem magnetycznym o symetrii radialnej, które wytwarzane jest przez pierścieniowy magnes trwały, zamknięty od tyłu cylindrycznym rdzeniem i mający nałożony z przodu pierścieniowy nabiegunnik, przy czym rdzeń i nabiegunnik wykonane są ze stali magnetycznie miękkiej, a nabiegunnik przymocowany jest do węższej części kosza głośnika, znamienny tym, że każdy z głośników zaopatrzony jest w elastyczny, wygięty łukowo i odbijający światło pasek (11), wykonany korzystnie z metalizowanej folii poliestrowej, którego jeden koniec przymocowany jest za pomocą klocka zewnętrznego (12) do brzegu kosza głośnika (1), a drugi koniec przymocowany jest za pomocą klocka wewnętrznego (13) do denka (5), zamykającego membranę (4), przy czym pierwszy z przystosowanych głośników elektrodynamicznych (14), przymocowany jest nieruchomo za pomocą wspornika (15) do poziomej podstawy (16), a obijający światło pasek (17) tego głośnika ma kierunek poziomy, natomiast cewka drgająca (7) tego głośnika zasilana jest z elektronicznego generatora funkcyjnego G1, zaś magnes (8) drugiego z przystosowanych głośników elektrodynamicznych (18), umieszczony jest w pierścieniowej obejmie (19) i unieruchamiany za pomocą radialnie usytuowanego wkrętu (20), przy czym głośnik ten może być obracany w obejmie wokół osi poziomej, przez co odbijający światło pasek (21) tego głośnika może przyjmować dowolny kierunek w płaszczyźnie pionowej, natomiast obejma (19) tego głośnika przymocowana została za pomocą wspornika (22) do poziomej podstawy (16), a cewka drgająca (7) tego głośnika zasilana jest z elektronicznego generatora funkcyjnego G2.
2. 2. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że w układzie jest źródło światła (23), wysyłające promień świetlny AO, korzystnie dioda laserowa, przymocowane do poziomej podstawy (16) za pomocą wspornika (24) i zasilane z zasilacza prądu stałego P oraz umieszczony poza podstawą biały, pionowy ekran (25).