PL236202B1

PL236202B1 - Instrument for testing centrifugal force and buoyancy

Info

Publication number: PL236202B1
Application number: PL423948A
Authority: PL
Inventors: Stanisław Bednarek
Original assignee: Univ Lodzki
Priority date: 2017-12-19
Filing date: 2017-12-19
Publication date: 2020-12-28
Also published as: PL423948A1

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest przyrząd do badania siły odśrodkowej i siły wyporu, mający zastosowanie w laboratoriach fizycznych. Przyrząd do badania siły odśrodkowej i siły wyporu zawiera podstawę (1) w kształcie poziomej płyty, zaopatrzonej w pobliżu brzegów w kołek (2) ze stożkowym końcem dolnym oraz dwie śruby (3, 4), wkręcane w płytę i mające również stożkowe końce dolne, ponadto z płytą połączony jest pionowy wspornik (5), do którego został przymocowany silnik elektryczny prądu stałego (6), przyłączony do zasilacza. Oś silnika jest ustawiona pionowo i została na niej osadzona tarcza (8) ze znacznikiem, obok której znajduje się elektroniczny wskaźnik szybkości obrotów. Powyżej tarczy na osi silnika osadzona jest też prostokątna ramka (11) z poziomą poprzeczką, w którą wkręcana jest od dołu śruba (13) z radełkowanym łbem, zaopatrzona w nakrętkę kontrującą (14), dokręcaną do poprzeczki. Górny koniec śruby (13) połączony jest z płytą oporową (15) z przyklejonym do niej od góry magnesem walcowym (16), namagnesowanym w kierunku osiowym. Oprócz tego do górnego boku ramki (11) przymocowana jest symetrycznie przezroczysta rurka (17) w kształcie litery V z odgiętymi pionowo górnymi końcami ramion (19), zamkniętymi korkami gumowymi (20). Przezroczysta rurka (17) wypełniona jest cieczą (22), w której zanurzone są kulki (23).The subject of the application is a device for testing centrifugal force and buoyancy force, used in physics laboratories. The device for testing the centrifugal force and buoyancy force includes a base (1) in the shape of a horizontal plate, equipped near the edges with a pin (2) with a conical lower end and two screws (3, 4), screwed into the plate and also having conical lower ends, in addition, a vertical bracket (5) is connected to the plate, to which a DC electric motor (6) connected to the power supply is attached. The engine axis is vertical and has a disc (8) with a marker mounted on it, next to which there is an electronic speed indicator. Above the disc, on the engine axis, there is also a rectangular frame (11) with a horizontal crossbar, into which a screw (13) with a knurled head, equipped with a lock nut (14), tightened to the crossbar, is screwed from below. The upper end of the screw (13) is connected to the support plate (15) with a cylindrical magnet (16) glued to it from above, magnetized in the axial direction. In addition, a V-shaped transparent tube (17) with vertically bent upper ends of the arms (19) and closed with rubber plugs (20) is attached to the upper side of the frame (11). The transparent tube (17) is filled with liquid (22) in which the balls (23) are immersed.

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest przyrząd do badania siły odśrodkowej i siły wyporu, mający zastosowanie w laboratoriach fizycznych w przypadkach, gdy konieczne jest zbadanie zależności tych sił od różnych czynników.The subject of the invention is an instrument for testing centrifugal force and buoyancy force, used in physical laboratories when it is necessary to study the dependence of these forces on various factors.

Znany przyrząd do badania siły odśrodkowej i momentu bezwładności jest opisany w Katalogu Nr 9000491 EN firmy 3B Scientific, zatytułowanym „Physics and Engineering Experiments” i wydanym w 2017 r. Przyrząd ten składa się z podstawy, do której została przymocowana pionowa oś i na tej osi obraca się pozioma tarcza w kształcie koła. Z tarczą połączony jest poziomy pręt umieszczony radialnie i zaopatrzony w dwa ciężarki. Do podstawy tarczy przymocowany jest bloczek nieruchomy, przez który przerzucona została nić, zaopatrzona na jednym z końców w obciążniki. Drugi koniec nici owinięty jest wokół bloczka umieszczonego na osi tarczy. Na tarczy znajduje się też znacznik, a obok niej umieszczona jest bramka fotoelektryczna połączona z licznikiem obrotów. Działanie przyrządu polega na tym, że opadające obciążniki pociągają nić, która z kolei odwija się od bloczka umieszczonego na osi tarczy i wprawia tarczę w ruch obrotowy. Na ciężarki umieszczone na pręcie działa wtedy siła odśrodkowa, która jest mierzona za pomocą czujnika. Z tego samego katalogu znany jest też podobny przyrząd do badania siły odśrodkowej, w którym tarczę wprawia się w ruch obrotowy za pomocą silnika elektrycznego, umieszczonego pod tarczą, przy czym jego prędkość obrotów regulowana jest za pomocą zmiany napięcia zasilania, przykładanego z regulowanego zasilacza.A well-known instrument for testing centrifugal force and moment of inertia is described in the Catalog No. 9000491 EN by 3B Scientific, entitled "Physics and Engineering Experiments" and published in 2017. This instrument consists of a base to which a vertical axis has been attached and on this axis a circular horizontal disc rotates. Connected to the target is a horizontal bar located radially and provided with two weights. A stationary pulley is attached to the base of the disc, through which the thread is thrown, provided with weights at one end. The other end of the thread is wrapped around a pulley placed on the axis of the dial. There is also a marker on the dial, and next to it is a photoelectric gate connected to a rev counter. The operation of the device is based on the fact that the falling weights pull the thread, which in turn unwinds from the pulley located on the axis of the disc and sets the disc in rotation. The centrifugal force acts on the weights placed on the bar and is measured by a sensor. A similar centrifugal force tester is also known from the same catalog, in which the disc is made to rotate by means of an electric motor placed under the disc, and its speed of rotation is controlled by changing the supply voltage from an adjustable power supply.

Istota rozwiązania według wynalazku polega na tym, że przyrząd do badania siły odśrodkowej i siły wyporu zawiera podstawę w kształcie poziomej płyty, zaopatrzonej w pobliżu brzegów w kołek ze stożkowym końcem dolnym oraz dwie śruby, wkręcane w płytę i mające również stożkowe końce dolne. Z płytą połączony jest pionowy wspornik, do którego został przymocowany silnik elektryczny, korzystnie bocznikowy prądu stałego, przyłączony do zasilacza o regulowanym napięciu. Oś silnika jest ustawiona pionowo i została na niej osadzona tarcza ze znacznikiem, obok której znajduje się elektroniczny wskaźnik szybkości obrotów z fotodiodą i wyświetlaczem. Powyżej tarczy na osi silnika osadzona jest prostokątna ramka z poziomą poprzeczką, w którą wkręcana jest od dołu śruba z radełkowanym łbem, zaopatrzona w nakrętkę kontrującą, dokręcaną do poprzeczki. Górny koniec śruby połączony jest z płytą oporową z przyklejonym do niej od góry magnesem walcowym, wykonanym korzystnie ze spieku żelaza, neodymu i boru oraz namagnesowanym w kierunku osiowym. Prostokątna ramka, poprzeczka, śruba z radełkowanym łbem, nakrętka kontrującą i płyta oporowa są wykonane z metalu nieferromagnetycznego, korzystnie z aluminium. Do górnego boku ramki przymocowana jest symetrycznie przezroczysta rurka w kształcie litery V z odgiętymi pionowo górnymi końcami ramion, zamkniętymi korkami gumowymi. Przezroczysta rurka wypełniona jest cieczą, korzystnie ferrofluidem, w której zanurzone są kulki wykonane z materiału o różnych stosunkach gęstości do przenikalności magnetycznej, korzystnie z mieszaniny opiłków materiału ferromagnetycznego i korka spojonych żywicą epoksydową.The essence of the solution according to the invention consists in the fact that the device for testing the centrifugal force and buoyancy force comprises a base in the shape of a horizontal plate, provided near its edges with a pin with a conical lower end and two screws, screwed into the plate and also having conical lower ends. Connected to the plate is a vertical support to which is attached an electric motor, preferably a shunt DC motor, connected to a regulated voltage power supply. The axis of the motor is vertical and a disc with a marker is mounted on it, next to which there is an electronic speed indicator with a photodiode and a display. Above the disc on the motor axis there is a rectangular frame with a horizontal crossbar into which a screw with a knurled head is screwed from below, provided with a lock nut tightened to the crossbar. The upper end of the screw is connected to the support plate with a cylindrical magnet glued to it from above, preferably made of sintered iron, neodymium and boron and magnetized in the axial direction. The rectangular frame, crossbar, knurled head screw, lock nut and thrust plate are made of a non-ferromagnetic metal, preferably aluminum. A symmetrically transparent V-shaped tube is attached to the upper side of the frame, with the upper ends of the arms bent vertically and closed with rubber stoppers. The transparent tube is filled with a liquid, preferably a ferrofluid, in which spheres made of a material with different ratios of density to magnetic permeability are immersed, preferably a mixture of ferromagnetic material filings and cork bonded with epoxy resin.

Zaletą przyrządu do badania siły odśrodkowej i siły wyporu według wynalazku jest umożliwienie badania zależności tych sił od różnych czynników, takich jak gęstości oraz przenikalności magnetyczne ciała i ośrodka, w którym to ciało się znajduje, a także od prędkości kątowej i indukcji pola magnetycznego.The advantage of the apparatus for testing the centrifugal force and buoyancy force according to the invention is that it enables the examination of the dependence of these forces on various factors, such as the densities and magnetic permeability of the body and the medium in which it is located, as well as the angular velocity and magnetic field induction.

Przyrząd do badania siły odśrodkowej i siły wyporu pokazany jest w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia widok przyrządu od strony dłuższego boku ramki, a fig. 2 widok przyrządu od strony krótszego boku ramki.The apparatus for testing the centrifugal force and buoyancy force is shown in the embodiment in the drawing, in which Fig. 1 shows a view of the apparatus from the long side of the frame, and Fig. 2 a view of the apparatus from the short side of the frame.

Przyrząd do badania siły odśrodkowej i siły wyporu zawiera podstawę 1 w kształcie poziomej płyty, zaopatrzonej w pobliżu brzegów w kołek 2 ze stożkowym końcem dolnym oraz dwie śruby 3, 4, wkręcane w płytę i mające również stożkowe końce dolne. Z płytą połączony jest pionowy wspornik 5, do którego został przymocowany silnik elektryczny 6, korzystnie bocznikowy prądu stałego, przyłączony do zasilacza 7 o regulowanym napięciu. Oś silnika jest ustawiona pionowo i została na niej osadzona tarcza 8 ze znacznikiem 9, obok której znajduje się elektroniczny wskaźnik szybkości obrotów 10 z fotodiodą i wyświetlaczem. Powyżej tarczy na osi silnika osadzona jest prostokątna ramka 11 z poziomą poprzeczką 12, w którą wkręcana jest od dołu śruba 13 z radełkowanym łbem, zaopatrzona w nakrętkę kontrującą 14, dokręcaną do poprzeczki 12. Górny koniec śruby 13 połączony jest z płytą oporową 15 z przyklejonym do niej od góry magnesem walcowym 16, wykonanym korzystnie ze spieku żelaza, neodymu i boru oraz namagnesowanym w kierunku osiowym. Prostokątna ramka 11, poprzeczka 12, śruba z radełkowanym łbem 13, nakrętka kontrującą 14 i płyta oporowa 15 są wykonane z metalu nieferromagnetycznego, korzystnie z aluminium. Do górnego boku ramki 11 przymocowana jest symetrycznie przezroczysta rurka 17 w kształcie litery V z odgiętymi pionowo górnymi końcami ramion 18, 19, zamkniętymi korkami gumowymi 20, 21. Przezroczysta rurkaThe apparatus for testing the centrifugal force and buoyancy force comprises a base 1 in the shape of a horizontal plate, provided near its edges with a pin 2 with a conical lower end and two screws 3, 4, screwed into the plate and also having conical lower ends. Connected to the plate is a vertical support 5 to which is attached an electric motor 6, preferably a shunt DC motor, connected to a power supply 7 with regulated voltage. The axis of the motor is vertical and a disk 8 with a mark 9 is mounted on it, next to which there is an electronic speed indicator 10 with a photodiode and a display. Above the disc on the motor axis there is a rectangular frame 11 with a horizontal crossbar 12, into which a screw 13 with a knurled head is screwed from below, provided with a counter nut 14, tightened to the crossbar 12. The upper end of the screw 13 is connected to the stop plate 15 with the glued to it from above with a cylindrical magnet 16, preferably made of sintered iron, neodymium and boron and magnetized in the axial direction. The rectangular frame 11, crossbar 12, knurled head screw 13, lock nut 14 and thrust plate 15 are made of non-ferromagnetic metal, preferably aluminum. A symmetrically attached V-shaped transparent tube 17 with vertically bent upper ends of the arms 18, 19 and closed rubber plugs 20, 21 is attached to the upper side of the frame 11.

PL 236 202 B1 wypełniona 17 jest cieczą 22, korzystnie ferrofluidem, w której zanurzone są kulki 23, 24, wykonane z materiału o różnych stosunkach gęstości do przenikalności magnetycznej, korzystnie z mieszaniny opiłków materiału ferromagnetycznego i korka spojonych żywicą epoksydową.The part 17 is filled with a liquid 22, preferably a ferrofluid, in which spheres 23, 24 are immersed, made of a material with different ratios of density to magnetic permeability, preferably a mixture of ferromagnetic material filings and cork bonded with epoxy resin.

Zasada działania przyrządu do badania siły odśrodkowej i siły wyporu polega na tym, że po włączeniu silnika 6, ramka 11 wraz z przymocowaną do niej przezroczystą rurką 17 zostaje wprawiona w ruch obrotowy. Jednocześnie przezroczysta rurka 17 znajduje się w polu magnetycznym, wytwarzanym przez magnes walcowy 16. W tej sytuacji na kulki 23, 24 i ciecz 22, znajdujące się w przezroczystej rurce 17 działają następujące siły: siła odśrodkowa skierowana poziomo od osi obrotu, siła wyporu cieczy skierowana pionowo ku górze i siła oddziaływania magnetycznego skierowana najczęściej ku dołowi - kiedy kulki 23, 24 i ciecz 22 mają właściwości paramagnetyczne, albo ku górze - kiedy kulki 23, 24 i ciecz 22 mają właściwości diamagnetyczne. W zależności od wzajemnego stosunku gęstości do przenikalności magnetycznej cieczy 22 i materiałów kulek 23, 24, wypadkowa wymienionych sił, działających na kulki 23, 24 jest zwrócona ku górze, albo ku dołowi. Ten fakt przejawia wypieraniem kulek do górnych końców ramion 18, 19 przezroczystej rurki 17, albo ich opadaniem do najniższej części tej rurki, jak to pokazują położenia kulek 23, 24 na Fig. 1 i Fig. 2. Wykonanie kulek 23, 24 korzystnie z mieszaniny opiłków materiału ferromagnetycznego i korka spojonych żywicą epoksydową oraz wypełnienie przezroczystej rurki 17 korzystnie ferrofluidem, pozwala łatwo zmieniać wzajemny stosunek gęstości do przenikalności magnetycznej. Kulki 23, 24 i ciecz 22, zawartą w przezroczystej rurce 17 można wymieniać po wyjęciu korków 20, 21, Zastosowanie silnika elektrycznego 6, korzystnie bocznikowego prądu stałego, przyłączonego do zasilacza 7 o regulowanym napięciu, pozwala na dokładne zadawanie ilości obrotów, odczytywanej za pomocą elektronicznego wskaźnika szybkości obrotów 10 z wyświetlaczem, w którym fotodioda reaguje na położenie znacznika 9. Śruba 13 jest przeznaczona do zmiany położenia magnesu walcowego 16 i przez to zmiany indukcji pola magnetycznego w obszarze przezroczystej rurki 17. Nakrętka kontrującą 14.zabezpiecza magnes walcowy 16 przed niekontrolowaną zmianą położenia podczas obrotów. Wykonanie ramki 11, poprzeczki 12, śruby 13, nakrętki kontrującej 14 i tarczy oporowej 15 korzystnie z aluminium zapobiega deformacjom rozkładu przestrzennego pola magnetycznego i zmniejsza moment bezwładności obracających się elementów.The principle of operation of the apparatus for testing the centrifugal force and the buoyancy force is based on the fact that after the motor 6 is turned on, the frame 11 with the transparent tube 17 attached to it is set into rotation. At the same time, the transparent tube 17 is in the magnetic field created by the cylindrical magnet 16. In this situation, the balls 23, 24 and the liquid 22 in the transparent tube 17 are exerted by the following forces: centrifugal force directed horizontally from the axis of rotation, the buoyancy force of the liquid directed towards vertically upwards and the magnetic force being directed mostly downwards - when the beads 23, 24 and the liquid 22 are paramagnetic, or upwards - when the beads 23, 24 and the liquid 22 are diamagnetic. Depending on the ratio of the density to the magnetic permeability of the liquid 22 and the materials of the beads 23, 24, the resultant of said forces acting on the balls 23, 24 is either upward or downward. This fact is evidenced by the displacement of the balls to the upper ends of the arms 18, 19 of the transparent tube 17, or their fall to the lowermost part of the tube, as shown by the positions of the balls 23, 24 in Fig. 1 and Fig. 2. Making the balls 23, 24, preferably from a mixture filings of ferromagnetic material and cork bonded with epoxy resin, and the filling of the transparent tube 17, preferably with ferrofluid, makes it possible to easily change the ratio of density to magnetic permeability. The balls 23, 24 and the liquid 22 contained in the transparent tube 17 can be replaced by removing the plugs 20, 21. The use of an electric motor 6, preferably a shunt DC, connected to a power supply 7 with adjustable voltage, allows for an exact setting of the number of revolutions read by an electronic speed indicator 10 with a display in which the photodiode responds to the position of the mark 9. The screw 13 is designed to change the position of the cylindrical magnet 16 and thus change the magnetic field induction in the area of the transparent tube 17. The counter nut 14. protects the cylindrical magnet 16 against uncontrolled change of position during rotation. The design of the frame 11, the crossbar 12, the screw 13, the lock nut 14 and the thrust washer 15 preferably of aluminum prevents deformations of the spatial distribution of the magnetic field and reduces the moment of inertia of the rotating elements.

Claims

Patent claims

1.A device for testing centrifugal force and buoyancy, having a horizontal plate-shaped base, provided near its edges with a pin with a conical lower end and two screws, screwed into the plate and also having conical lower ends, and a vertical support is connected to the plate, to which an electric motor has been attached, preferably a shunt DC motor, connected to a power supply with regulated voltage, the motor axis being vertical and a disc with a marker mounted on it, next to which there is an electronic speed indicator with a photodiode and display, characterized by that above the disc (8) on the motor axis (6) there is a rectangular frame (11) with a horizontal crossbar (12), into which a screw (13) with a knurled head is screwed in from the bottom, provided with a lock nut (14), tightened to the crossbar (12), while the upper end of the bolt (13) is connected to the stop plate (15) with a cylindrical magnet (16), magnetized from above, attached to it in the axial direction, and in addition to the upper side of the frame (11) a symmetrically V-shaped transparent tube (17) with vertically bent upper ends of the arms (18), (19), closed rubber plugs (20), (21) and, moreover, the transparent tube (17) is filled with a liquid (22) in which spheres (23), (24) are immersed, made of a material with different ratios of density to magnetic permeability.

2. Apparatus according to claim A device as claimed in claim 1, characterized in that the cylindrical magnet (16) is preferably made of a sinter of iron, neodymium and boron.

3. Apparatus according to claim A device as claimed in claim 1, characterized in that the rectangular frame (11), the crossbar (12), the knurled screw (13), the lock nut (14) and the stop plate (15) are made of non-ferromagnetic metal, preferably aluminum.

4. Apparatus according to claim The method of claim 1, characterized in that the transparent tube (17) is preferably filled with ferrofluid.

5. Apparatus according to claim The method of claim 1, characterized in that the balls (23), (24) are preferably made of a mixture of filings of a ferromagnetic material and a cork bonded with epoxy resin.