PL248865B1 - Rura Kundta - Google Patents

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest rura Kundta przeznaczona do badania drgań i wizualizacji mechanicznej fali stojącej, mająca zastosowanie w laboratoriach naukowych, zwłaszcza fizycznych oraz do celów edukacyjnych. Rura Kundta zawiera rurę (1) szklaną umieszczoną poziomo na dwóch wspornikach (2), znajdujących się na końcach rury (1) i mających kształt prostokątnych, pionowo ustawionych płyt z otworami, przez które przechodzi rura (1). Dolne końce wsporników (2) są połączone na wcisk z podstawą (4), mającą kształt prostokątnej, poziomo umieszczonej płyty (4). Jeden z końców rury (1) jest zamknięty zatyczką naprężacza w kształcie walca z kołnierzem, przyklejoną do tego końca rury (1) oraz zaopatrzoną w dwa przelotowe otwory i przez każdy z tych otworów przechodzi jedna ze stalowych strun (6) albo (7), umieszczonych wewnątrz rury (1) w płaszczyźnie pionowej i skierowanych równolegle do osi rury (1). Zatyczka naprężacza jest zaopatrzona w gwint zewnętrzny, na który jest wkręcane cylindryczne pokrętło (8) z gwintem wewnętrznym i radełkowaną powierzchnią zewnętrzną. W pokrętle (8) znajduje się cylindryczny uchwyt z kołnierzem umieszczonym wewnątrz pokrętła (8) i z dwoma przelotowymi otworami, przez które przechodzą końce strun (6, 7). Końce strun (6, 7), wystające z otworów uchwytu są połączone galwanicznie mosiężną zworą. Przeciwległy koniec rury (1) jest zamknięty zatyczką wejściową w kształcie walca z kołnierzem, przyklejoną do tego końca rury (1) i zaopatrzoną w dwa przelotowe otwory.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest rura Kundta przeznaczona do badania drgań i wizualizacji mechanicznej fali stojącej, mająca zastosowanie w laboratoriach naukowych, zwłaszcza fizycznych oraz do celów edukacyjnych.

Z podręcznika autorstwa Tadeusza Dryńskiego, zatytułowanego „Ćwiczenia praktyczne z fizyki”, wydanego przez Państwowe Wydawnictwo Naukowe w Warszawie w 1978 r. jest znana rura Kundta, składająca się z poziomej rury szklanej, zamocowanej przy pomocy dwóch wsporników, umieszczonych w pobliżu końców tej rury do poziomej podstawy. Jeden z końców rury jest zamknięty pokrywą z otworem, przez który przechodzi pręt wykonany z drewna oraz skierowany wzdłuż osi rury i zakończony tłokiem przymocowanym do pręta i umieszczonym wewnątrz rury, przy czym pręt może być przesuwany w otworze pokrywy, co powoduje zmianę położenia tłoka. Drugi koniec rury jest zamknięty podobną pokrywą z otworem, przez który przechodzi pręt wykonany z metalu, skierowany wzdłuż osi rury i również zakończony z jednej strony przymocowanym do niego tłokiem, umieszczonym wewnątrz rury. Ponadto krótka część tego pręta, znajdującą się na zewnątrz rury, przechodzi przez zacisk przymocowany do podstawy. Zacisk składa się z dwóch krótkich nakładek, obejmujących pręt w połowie jego długości i dociskanych do pręta śrubą z nakrętką skrzydełkową. Wewnątrz rury szklanej na dolnej części jej powierzchni znajduje cienka warstwa ziaren drobno sproszkowanego korka.

Działanie znanej rury Kundta polega na tym, że swobodny koniec metalowego pręta, znajdujący się na zewnątrz zacisku, pociera się ściereczką.

W tym celu na ściereczkę nakłada się drobne ziarna kalafonii i stronę ściereczki z tymi ziarnami dociska do powierzchni pręta, a następnie wykonuje ruchy posuwisto zwrotne wzdłuż pręta. W ten sposób w metalowym pręcie są wzbudzane drgania i jest wytwarzana fala stojąca, której węzeł znajduje się w miejscu zamocowania pręta, a strzałki na jego końcach. Drgania te są przenoszone przez tłok na słup powietrza zwarty w szklanej rurze. Przy odpowiednio dobranym położeniu drugiego tłoka, znajdującego się na końcu drewnianego pręta, w tym słupie powietrza jest również wytwarzana fala stojąca, która powoduje zmianę rozkładu ziaren korka. W węzłach tej fali ilość ziaren korka jest największa, a w miejscach strzałek najmniejsza. Pomiar odległości między tymi miejscami pozwala obliczyć długość fali stojącej w powietrzu. Znając tę długość i prędkość rozchodzenia się fali dźwiękowej w powietrzu, można następnie obliczyć prędkość rozchodzenia się fali podłużnej w metalowym pręcie.

Analogicznie zbudowana i tak samo działająca rura Kundta jest znana z podręcznika Szczepana Szczeniowskigo, zatytułowanego „Fizyka doświadczalna, część 1 Mechanika i akustyka”, wydanego przez Państwowe Wydawnictwo Naukowe w Warszawie w 1972 r.

Istota rozwiązania według wynalazku polega na tym, że rura Kundta zawiera rurę szklaną, umieszczoną poziomo na dwóch wspornikach, znajdujących się na końcach rury i mających kształt prostokątnych, pionowo ustawionych płyt z otworami, przez które przechodzi rura, natomiast dolne końce wsporników są połączone na wcisk z podstawą, mającą kształt prostokątnej, poziomo umieszczonej płyty. Jeden z końców rury jest zamknięty zatyczką naprężacza w kształcie walca z kołnierzem, przyklejoną do tego końca rury oraz zaopatrzoną w dwa przelotowe otwory i przez każdy z tych otworów przechodzi jedna z dwu stalowych strun, umieszczonych wewnątrz rury w płaszczyźnie pionowej i skierowanych równolegle do osi rury, a ponadto zatyczka naprężacza jest zaopatrzona w gwint zewnętrzny, na który jest wkręcane cylindryczne pokrętło z gwintem wewnętrznym i radełkowaną powierzchnią zewnętrzną. Oprócz tego w pokrętle znajduje się cylindryczny uchwyt z kołnierzem umieszczonym wewnątrz pokrętła i z dwoma przelotowymi otworami, przez które przechodzą końce strun połączone z uchwytem za pomocą dwóch wkrętów, wkręconych radialnie w uchwyt naprężacza i dociskających końce strun do uchwytu. Uchwyt jest połączony obrotowo z pokrętłem za pomocą pierścienia Segera, wciśniętego w rowek w uchwycie i połączony suwliwie z zatyczką naprężacza za pomocą kołka, skierowanego równolegle do osi uchwytu, przechodzącego przez otwór wykonany w uchwycie i w zatyczce naprężacza. Końce strun, wystające z otworów uchwytu są połączone galwanicznie mosiężną zworą w kształcie wygiętego łukowo odcinka drutu, przylutowanego do końców strun. Przeciwległy koniec rury jest zamknięty zatyczką wejściową w kształcie walca z kołnierzem, przyklejoną do tego końca rury i zaopatrzoną w dwa przelotowe otwory. Przez każdy z tych otworów przechodzi jeden koniec strun i w dwa radialnie skierowane, nagwintowane otwory, w które wkręcone są wkręty dociskające końce strun do otworów zatyczki wejściowej. Końce strun, wychodzące z zatyczki wejściowej na zewnątrz są przyłączone za pomocą przewodów w izolacji do wyjścia generatora napięcia zmiennego o regulowanej częstotliwości przymocowanego do podstawy. Na dolnej części powierzchni wewnętrznej rury znajduje się cienka warstwa ziaren drobno sproszkowanego korka. Wsporniki, podstawa, zatyczka naprężacza, pokrętło, uchwyt, wkręty, kołek i zatyczka wejściowa, są wykonane z materiału elektroizolacyjnego i nieferromagnetycznego, korzystnie z tekstolitu.

Główną zaletą rozwiązania jest nowa funkcjonalność, pozwalająca na wizualizację strzałek i węzłów poprzecznej fali stojącej, które są wytwarzane w strunach podczas przepływu przez nie zmiennego prądu elektrycznego o regulowanej częstotliwości i przy różnych siłach naprężenia strun. Dodatkowymi zaletami rozwiązania są prosta konstrukcja i niezawodność działania.

Przedmiot wynalazku jest pokazany w przykładzie wykonania i na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia przekrój podłużny rury Kundta płaszczyzną A-A, fig. 2 pokazuje jej widok z góry, natomiast fig. 3 jest przekrojem poprzecznym tej rury płaszczyzną B-B.

Rura Kundta zawiera rurę szklaną 1 umieszczoną poziomo na dwóch wspornikach 2, 3, znajdujących się na końcach rury 1 i mających kształt prostokątnych, pionowo ustawionych płyt z otworami, przez które przechodzi rura 1. Dolne końce wsporników 2, 3 są połączone na wcisk z podstawą 4, mającą kształt prostokątnej, poziomo umieszczonej płyty 4. Jeden z końców rury 1 jest zamknięty zatyczką naprężacza 5 w kształcie walca z kołnierzem, przyklejoną do tego końca rury 1 oraz zaopatrzoną w dwa przelotowe otwory i przez każdy z tych otworów przechodzi jedna ze stalowych strun 6 albo 7, umieszczonych wewnątrz rury 1 w płaszczyźnie pionowej i skierowanych równolegle do osi rury 1. Zatyczka naprężacza 5 jest zaopatrzona w gwint zewnętrzny, na który jest wkręcane cylindryczne pokrętło 8 z gwintem wewnętrznym i radełkowaną powierzchnią zewnętrzną. W pokrętle 8 znajduje się cylindryczny uchwyt 9 z kołnierzem umieszczonym wewnątrz pokrętła 8 i z dwoma przelotowymi otworami, przez które przechodzą końce strun 6, 7, połączone z uchwytem 9 za pomocą dwóch wkrętów 10, 11, wkręconych radialnie w uchwyt naprężacza 9 i dociskających końce strun 6, 7 do uchwytu 9. Uchwyt 9 jest połączony obrotowo z pokrętłem 8 za pomocą pierścienia Segera 12, wciśniętego w rowek w uchwycie 9 i połączony suwliwie z zatyczką naprężacza 5 za pomocą kołka 13, skierowanego równolegle do osi uchwytu 9, przechodzącego przez otwór wykonany w uchwycie 9 i w zatyczce naprężacza 5. Końce strun 6, 7, wystające z otworów uchwytu 9 są połączone galwanicznie mosiężną zworą 14 w kształcie wygiętego łukowo odcinka drutu, przylutowanego do końców strun 6, 7. Przeciwległy koniec rury 1 jest zamknięty zatyczką wejściową 15 w kształcie walca z kołnierzem, przyklejoną do tego końca rury 1 i zaopatrzoną w dwa przelotowe otwory, przez każdy z tych otworów przechodzi jeden koniec struny 6 albo 7, oraz w dwa radialnie skierowane, nagwintowane otwory, w które wkręcone są wkręty 16, 17 dociskające końce strun 6, 7 do otworów zatyczki wejściowej 15. Końce strun 6, 7, wychodzące z zatyczki wejściowej na zewnątrz są przyłączone za pomocą przewodów w izolacji 18 do wyjścia generatora 19 napięcia zmiennego U o regulowanej częstotliwości przymocowanego do podstawy 4. Na dolnej części powierzchni wewnętrznej rury 1 znajduje się cienka warstwa ziaren 20 drobno sproszkowanego korka. Wsporniki 2, 3, podstawa 4, zatyczka naprężacza 5, pokrętło 8, uchwyt 9, wkręty 10, 11, 16, 17, kołek 13 i zatyczka wejściowa 15, są wykonane z tekstolitu.

Zasada działania rury Kundta polega na tym, że po włączeniu generatora zmiennego napięcia 19, przez struny 6, 7 przepływa prąd elektryczny, wytwarzający zmienne pole magnetyczne między strunami 6, 7. Skutkiem tego stalowe struny 6, 7 ulegają zmiennemu namagnesowaniu i działają na nie zmienne siły w kierunku prostopadłym do strun 6, 7, powodujące wprawienie tych strun w drgania poprzeczne. Zmieniając częstotliwość napięcia U, wytwarzanego przez generator 19 i siłę naprężenia strun, przez pokręcenie pokrętłem 8, powoduje się zmianę częstotliwości drgań własnych strun 6, 7 i uzyskuje taką częstotliwość, przy której w strunach 6, 7 tworzą się fale stojące. Wówczas amplituda drgań strun 6, 7 jest największa. Na końcach strun, zamocowanych wkrętami 10, 11, 16, 17 w zatyczkach 5 i 15, tworzą się węzły fali stojącej i w tych miejscach drgania nie występują. Na swobodnych odcinkach strun między zatyczkami 5 i 15 pojawiają się strzałki i węzły fali stojącej, przy czym ich liczba zależy od częstotliwości zmian napięcia U i od naprężenia strun, regulowanego pokrętłem 8. Strzałki i węzły fali stojącej są widoczne bezpośrednio dzięki zastosowaniu rury 1 wykonanej z przezroczystego szkła. Ponadto drgania strun 6, 7 są przenoszone przez szkło rury 1 i przez zawarte w niej powietrze na ziarna 20 drobno sproszkowanego korka. W wyniku tego ziarna korka 20 ulegają przemieszczeniu z miejsc strzałek fali stojącej do miejsc, w których są węzły tej fali. W końcowym efekcie ziarna korka 20 tworzą obraz fali stojącej w postaci obszarów o zwiększonej i zmniejszonej ilości ziaren. Układ złożony z zatyczki naprężacza 5, uchwytu 9, pokrętła 8, pierścienia Segera 12 i kołka 13 jest przeznaczony do zmiany naprężenia strun 6, 7. Tej zmiany dokonuje się pokręcając pokrętłem 8, co powoduje przesuwanie uchwytu 9 wzdłuż osi rury 1 i zmianę naprężenia strun 6, 7. Kołek 13 zapobiega obrotowi uchwytu 9 i skręcaniu strun, natomiast pierścień Segera 12 łączy pokrętło z 8 z uchwytem 9 i wymusza jego przesuw podczas obrotu pokrętła 8. Wykonanie wsporników 2, 3, podstawy 4, zatyczki naprężacza 5, pokrętła 8, uchwytu 9, wkrętów 10, 11, 16, 17, kołka 13 i zatyczki wejściowej 15 korzystnie z tekstolitu zapewnia dobre właściwości elektroizolacyjne i wytrzymałość mechaniczną tych elementów oraz zabezpiecza przed niekorzystnym rozpraszaniem pola magnetycznego, wytwarzanego przez prąd elektryczny, płynący w strunach 6, 7.

Claims (2)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Rura Kundta, mająca rurę szklaną umieszczoną poziomo na dwóch wspornikach znajdujących się na końcach rury i mających kształt prostokątnych, pionowo ustawionych płyt z otworami, przez które przechodzi rura, natomiast dolne końce wsporników są połączone na wcisk z podstawą, mającą kształt prostokątnej, poziomo umieszczonej płyty, a oprócz tego na dolnej części powierzchni wewnętrznej rury znajduje się cienka warstwa ziaren drobno sproszkowanego korka, znamienna tym, że jeden z końców rury (1) jest zamknięty zatyczką naprężacza (5) w kształcie walca z kołnierzem, przyklejoną do tego końca rury (1) oraz zaopatrzoną w dwa przelotowe otwory i przez każdy z tych otworów przechodzi jedna ze stalowych strun (6) albo (7), umieszczonych wewnątrz rury (1) w płaszczyźnie pionowej i skierowanych równolegle do osi rury (1), a ponadto zatyczka naprężacza (5) jest zaopatrzona w gwint zewnętrzny, na który jest wkręcane cylindryczne pokrętło (8) z gwintem wewnętrznym i radełkowaną powierzchnią zewnętrzną, a oprócz tego w pokrętle (8) znajduje się cylindryczny uchwyt (9) z kołnierzem umieszczonym wewnątrz pokrętła (8) i z dwoma przelotowymi otworami, przez które przechodzą końce strun (6, 7), połączone z uchwytem (9) za pomocą dwóch wkrętów (10, 11), wkręconych radialnie w uchwyt naprężacza (9) i dociskających końce strun (6, 7) do uchwytu (9), a oprócz tego uchwyt (9) jest połączony obrotowo z pokrętłem (8) za pomocą pierścienia Segera (12), wciśniętego w rowek w uchwycie (9) i połączony suwliwie z zatyczką naprężacza (5) za pomocą kołka (13), skierowanego równolegle do osi uchwytu (9), przechodzącego przez otwór wykonany w uchwycie (9) i w zatyczce naprężacza (5), a ponadto końce strun (6, 7), wystające z otworów uchwytu (9) są połączone galwanicznie mosiężną zworą (14) w kształcie wygiętego łukowo odcinka drutu, przylutowanego do końców strun (6, 7), a poza tym przeciwległy koniec rury (1) jest zamknięty zatyczką wejściową (15) w kształcie walca z kołnierzem, przyklejoną do tego końca rury (1) i zaopatrzoną w dwa przelotowe otwory i przez każdy z tych otworów przechodzi jeden koniec struny (6) albo (7) i w dwa radialnie skierowane, nagwintowane otwory, w które wkręcone są wkręty (16, 17) dociskające końce strun (6, 7) do otworów zatyczki wejściowej (15), a ponadto końce strun (6, 7), wychodzące z zatyczki wejściowej (15) na zewnątrz są przyłączone za pomocą przewodów w izolacji (18) do wyjścia generatora (19) napięcia zmiennego (U) o regulowanej częstotliwości przymocowanego do podstawy (4), a ponadto zatyczka naprężacza (5), pokrętło (8), uchwyt (9), wkręty (10, 11, 16, 17), kołek (13) i zatyczka wejściowa (15), są wykonane z materiału elektroizolacyjnego i nieferromagnetycznego.
2. 2. Rura według zastrz. 1, znamienna tym, że zatyczka naprężacza (5), pokrętło (8), uchwyt (9), wkręty (10, 11, 16, 17), kołek (13) i zatyczka wejściowa (15) są wykonane z tekstolitu.