Физика

Устройство и принцип работы

11

5 – тормоз 6 – общий силовой для линий на конт. 4, 5, 7 и корпус стола

7 – питание гироскопа (скользящий контакт 2.9).

4.2. СТОЙКА

Стойка (поз. 3 на рис. 1) предназначена для подвеса гирь пружин, приводящих в движение узлы установки. Узлы стойки смонтированы на колонне 3.1 с отверстиями для закрепления съемных элементов. Отверстия следуют шагом 40,0 ± 0,2 мм. Съемный шкив-ролик 3.4 устанавливается в любом месте колонны и используется в опытах по динамике вращательного движения при измерении коэффициентов трения трибометром. Верхний шкив 3.2 имеет штырь для крепления маятников и прорезь, помощью которой отсчитывается угловая координата шкива по шкале 3.3. Цена деления шкалы 5°, среднее (нулевое) деление расположено горизонтально.

На рис. 2 виден диск 3.5а с радиальной прорезью. Диск закреплен на оси шкива 3.2. При прохождении прорези через зазор фотодатчика 3.56 срабатывает таймер измерительной системы ИСМ, что позволяет измерять время поворота шкива на угол 360° или 720° (один или два оборота) или измерять период колебаний шкива. Диаметры канавок шкива – 40 и 60 мм.

На основании установки имеются два штыря с отверстием для закрепления пружин. Зацеп для пружин 3.6 состоит из двух частей: штырь 3.6а вставляется в отверстие колонны и закрепляется стойкой 3.6б.

Электрические цепи стойки выведены через кабель на разъем типа СШ-3 или СШ-5, назначение контактов которого следующее: 1 сигнал датчика 2 общий питание + 9 В (лампа датчика).

4.3. ПУШКА

Пушка (рис. 4) смонтирована на основании 4.1 и крепится к платформе установки с помощью стоек 4.7с винтами. На стержень 4.2а, укрепленный в кронштейне 4.26, надевается пружина 4.8 (отогнутый фигурный хвостик пружины опускается в прорезь кронштейна), затем снаряд 4.9. Координата торца снаряда, обращенного к кронштейну, отмечается по шкале 4.2в, размещенной рядом со стержнем.

12	Методические указания и комментарии к лабораторным работам по механике

Рис. 4. Комплект «ПУШКА»

Спусковое устройство содержит рейку 4.3а с фиксирующими вырезами, зацеп 4.3б и рукоятку 4.3в, закрепленные на рейке. В кронштейне 4.2б установлен фиксатор, задающий четыре положения рейки с шагом 25 мм.

Таймер измерительной системы ИСМ регистрирует время пролета снаряда между входным фотодатчиком (поз. 4.5) выходным фотодатчиком (поз. 4.6). Каждый датчик содержит светодиод инфракрасного излучения в нижней части и приемный фотодиод верхней части. Датчики срабатывают при перекрывании светового потока снарядом или другим предметом. Инфракрасное излучение невидимо, поэтому индикатором исправности включения датчиков служит срабатывание таймера при перекрывании светового потока датчике. После выходного датчика 4.6 снаряд застревает в пластилине в приемном устройстве 4.4.

Подвес баллистического маятника 4.12 содержит стойку 4.12а с зацепом, ось 4.126, шкалу 4.12в и датчик максимального отклонения 4.12г. Стойка устанавливается вертикально на основании пушки так, чтобы зацеп стойки вошел в паз основания, при этом нижний конец стойки входит в прикрепленный к основанию хомут (см. рис. 4).

Слегка затянув ввернутый в стойку прижимной винт, обеспечивают ее неподвижность. Маятники 4.13 4.14 подвешиваются на оси

Устройство и принцип работы

13

помощью имеющихся на них крючков 4.13а и 4.14а, при этом центр мишени 4.136 или 4.136 оказывается на линии выстрела. Расстояние от оси до линии выстрела равно 300 мм. Пушка установленным подвесом маятников показана на рис. 5.

Параметры маятников:	«Математический» «Физический»
Масса мишени с пластилином	67,5 г	17,8 г
Масса стержня	9,8 г	283,4 г
Масса крючка	9 г	9 г
У математического маят-
ника момент инерции ми-
шени относительно оси вра-
щения значительно больше
момента инерции стержня, и
для оценки скорости снаряда
можно пользоваться законами
сохранения импульса и энер-
гии. У физического маятника
обратное соотношение, и не-
обходимо применение закона
сохранения момента импульса.
Нужные параметры маятников
студент определяет самостоя-
тельно, измерив характерные	Рис. 5. Пушка в сборе
размеры.	с баллистическим маятником
4.4. МУЛЬТИМЕТРЫ
Мультиметры DT-830B ИЛИ М830В (рис. 6)
измеряют напряжение, ток, сопротивление и па-
раметры транзисторов.
Для измерения напряжений от 0,1 мВ до 1000В
и токов до 0,2 А используют входы, обозначенные
как «СИГНАЛЬНЫЙ» и «ОБЩИЙ». Знак пока-
заний мультиметра положительный, если потен-
циал гнезда «СИГНАЛЬНЫЙ» выше потенциала
гнезда «ОБЩИЙ». В остальном следует руково-		Рис. 6. Мультиметр
дствоваться инструкцией по эксплуатации.		DT-830B

14	Методические указания и комментарии к лабораторным работам по механике

1 – переключатель видов и пределов

2 – цифровой дисплей

3 – разъем «ОБЩИЙ»

4 – разъем «СИГНАЛЬНЫЙ»

5 – разъем «10А»

4.5. НАБОР ОБЪЕКТОВ И ПРИСПОСОБЛЕНИЙ

Набор объектов и приспособлений (рис. 7) хранится в ящиках каркаса. Он содержит исследуемые тела, грузы и приспособления, перечисленные в разделе 3.

Рис. 7. Набор объектов и приспособлений

4.6. ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ИСМ-5

Назначение ИСМ-5 – многовариантное исследование кинематики и динамики механических систем. Прибор обеспечивает:

–измерение интервалов времени между заданными событиями, в том числе измерение периодов колебаний;

–измерение запаздывания и разности фаз колебаний;

–управление механизмами комплекса ЛКМ;

–установку и измерение скорости вращения гироскопа;

Устройство и принцип работы

15

– электропитание двигателя или других устройств постоянным или переменным напряжением;

Прибор выполнен в виде электронного блока, вставленного в каркас комплекса ЛКМ (поз. 9, рис. 1). Органы управления и подключения внешних устройств вынесены на переднюю панель (рис. 8). Органы подключения механизмов комплекса и датчиков расположены на верхней панели (рис. 9), доступной через окно в верхней плите каркаса установки. На задней панели находятся ввод сетевого питания, предохранители и разъем СГ-7 для подключения к контроллеру КС-ЛКМ.

Рис. 8. Передняя панель ИСМ-5

Рис. 9. Верхняя панель ИСМ-5

16	Методические указания и комментарии к лабораторным работам по механике

ИСМ-5 содержит блок питания, блок управления гироскопом и таймер.

4.7. БЛОК ПИТАНИЯ

Блок питания:

–вырабатывает постоянный или переменный сигнал (тумблер «~/0/=»), при этом в режиме «~» является ГЕНЕРАТОРОМ гармонического сигнала, в режиме «=» – источником постоянного регулируемого напряжения, в режиме «0» удерживает нулевое напряжение на выходе.

–регулирует частоту сигнала в пределах 0,3–12 Гц (тумблер «0,3/1/х 3» ручка «ЧАСТОТА») и амплитуду в пределах 0–20 В (ручка «АМПЛИТУДА»);

–подключает к блоку питания двигатель стола или включает тормоз стола тумблер «ПРИВОД/ТОРМОЗ» на три положения; при среднем положении двигатель и тормоз отключены, стол вращается свободно).

Выход блока питания выведен на гнезда «ВЫХ» и «ОБЩ». Между гнездами «ВЫХ» и «ТОК» включено сопротивление R 0 = 1,0 Ом, по которому протекает ток нагрузки блока питания. Измеряя напряжение U на этом сопротивлении, определяют ток нагрузки I = U/R 0.

В режиме «~» сигнал с блока питания поступает на таймер для измерения периода.

4.8. ТАЙМЕР

Таймер (рис. 10) обеспечивает:

–измерение интервалов времени между заданными событиями,

втом числе измерение периодов колебаний механических систем и электрических сигналов;

–измерение запаздывания и разности фаз двух колебаний. Источниками сигнала являются:

–датчики, подключаемые к разъемам на верхней панели ИСМ-5 (рис. 9);

–кнопка «РУЧН» ручного секундомера;

–блок питания (генератор) ИСМ-5;

Для проведения измерений следует:

– подключить источник сигнала (датчик);

Устройство и принцип работы

17

–установить алгоритм (логику) измерений;

–привести таймер в состояние готовности к измерениям (если это требуется выбранным алгоритмом);

–запустить исследуемый процесс.

Результат считывается с 4-разрядного дисплея (рис. 8, поз. 1).

Рис. 10. Функциональная схема таймера

Состояние датчиков Д1-Д4 отображается 4 индикаторами (поз. 2 на рис. 8). Индикатор светится при низком потенциале на выходе соответствующего датчика. Если на выходе высокий потенциал или датчик не подключен, то индикатор погашен.

Выбор источника сигнала оператором не производится. Если к таймеру подключены несколько устройств, то таймер реагирует на сигналы, поступающие с любого устройства, сигнализируя при этом о состоянии их датчиков. При работе с одним из устройств другие устройства могут находиться в любом состоянии, но не должны давать сигналов. Например, при измерении скорости вращения стола не следует одновременно с этим стрелять из пушки или качать маятник на стойке. Если работают одновременно два устройства, к разъ-

18	Методические указания и комментарии к лабораторным работам по механике

ему на верхней панели ИСМ-5 должно быть подключено лишь одно из них – 21 то, на котором нужно измерять интервалы времени.

Требуемое разрешение таймера (0,1 мс, 1 мс или 10 мс = 0,01 с) устанавливается тумблером «0,1 мс/ мс/0,01 с». Максимальный измеряемый интервал времени соотвественно равен 1, 10 или 100 с. На дисплее отображаются интервалы времени в миллисекундах (для разрешения 0,1 мс и 1 мс) или в секундах (для разрешения 0,01 с).

Если тумблер «~/0/=» находится в положении «~», на схему измерения времени подается обработанный сигнал генератора с блока питания. Обработка сигнала показана на рис. 11, где UГЕН – напряжение генератора, ГЕН – напряжение сигнала, поступающего на схему измерения времени. Система фиксирует моменты перехода сигнала через нулевое значение, и таймер измеряет период Т сигнала.

Рис. 11. Обработка сигнала для измерения периода генератора

Для измерения запаздывания или разности фаз сигнала с датчика и сигнала генератора (это нужно при исследованиях фазы вынужденных колебаний в теме 30), должны быть одновременно включены режим «~» блока питания и режим « T» таймера. При вынужденных колебаниях стола таймер покажет запаздывание момента прохождения столом положения равновесия относительно момента нулевого напряжения генератора.

Измерение времени выполняется электронным секундомером. Он содержит (рис. 10) генератор тактовых импульсов с периодом 0,1 мс, 1 мс или 10 мс, счетчик этих импульсов и 4-разрядный индикатор. При поступлении сигнала «СБРОС» счетчик обнуляется (устанавливается начало отсчета времени), и начинается отсчет

Устройство и принцип работы

19

времени с разрешением, равным периоду тактовых импульсов. При поступлении сигнала «ЗАПИСЬ» отсчитанное значение времени отображается на индикаторе.Таким образом, все многообразие режимов измерения времени при изучении механических систем сводится к выбору момента запуска секундомера и записи его показаний. Для этого нужно установить алгоритм измерений с помощью схемы «ПУСК», вырабатывающей сигнал «СБРОС» и устанавливающей начало отсчета времени, и схемы «СТОП», вырабатывающей сигнал «ЗАПИСЬ». Таймер реагирует на положительные перепады напряжения на входе блока логики (с 0...3 В на 8...12 В). Во всех режимах, кроме измерения запаздывания, схемы «ПУСК» и «СТОП» срабатывают одновременно (на обе схемы подан один и тот же сигнал от датчика или генератора). При этом вначале производится запись текущего состояния счетчика, затем происходит сброс счетчика и начинается новый отсчет времени. Следовательно, при каждом срабатывании таймер покажет время, прошедшее с момента предыдущего срабатывания.

При измерении запаздывания (режим « T») схема ПУСК срабатывает от сигнала генератора, а схема СТОП – от сигнала датчика. Каждое срабатывание аймера (ПУСК или СТОП) отображается миганием индикатора и звуковым сигналом. Кнопка «РУЧН» дает положительный перепад напряжения при нажатии.

4.9. УПРАВЛЕНИЕ АЛГОРИТМОМ ИЗМЕРЕНИЙ

«ЦИКЛ/ОДНОКР» – тумблер выбора числа измерений: «ЦИКЛ» (режим циклических измерений) – система реагирует на

все сигналы запуска и остановки секундомера; «ОДНОКР» (режим однократного измерения) – система произво-

дит однократное измерение и после записи первого результата в индикатор не реагирует на поступающие сигналы.

«1/ Т/2» – тумблер парных измерений:

положение «1» – регистрируется значение каждого интервала времени (например, продолжительность каждого оборота стола);

положение «2» – регистрируется суммарное значение двух последовательных интервалов времени (например, продолжительность двух оборотов стола);

среднее положение « T» – режим измерения запаздывания.

20	Методические указания и комментарии к лабораторным работам по механике

При нажатии кнопки «ГОТОВ» схема измерений приводится в состояние готовности к измерениям (это важно лишь при однократных измерениях) и вырабатывается сигнал «Уст. 0», который обнуляет счетчик и индикатор. Отсчет времени начнется при поступлении первого сигнала ПУСК.

4.10. УПРАВЛЕНИЕ МЕХАНИЗМАМИ

Тумблер «ПРИВОД/ТОРМОЗ» имеет три положения:

–верхнее положение рукоятки (ПРИВОД) – двигатель электропривода стола подключен к блоку питания;

–нижнее положение рукоятки (ТОРМОЗ) – стол заторможен встроенным электромагнитным тормозом;

–среднее положение рукоятки – механизмы стола отключены.

5. МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ

5.1. СКОРОСТЬ ВРАЩЕНИЯ СТОЛА

Измеряется время поворота стола на один или два оборота. Разъем стола через кабель должен быть подключен к одному из разъемов «1»–«4». Запуск счета времени и запись показаний производится при выходе щели диска из зазора фотодатчика, т. е. на переходе сигнала датчика с нулевого на положительное значение (см. рис. 10).

Стол вращается. При положении «1» ручки тумблера «1/ Т/2» таймер периодически высвечивает время τ поворота стола на один оборот, т. е. на угол ϕ =2ω, при положении «2» – на два оборота, т. е. на угол ϕ = 4ω. Угловая скорость ω = ϕ/τ.

5.2. УГЛОВОЕ УСКОРЕНИЕ СТОЛА

Стол заторможен, щель диска стола находится в зазоре фотодатчика, о чем свидетельствует свечение индикатора. На один из шкивов стойки стола намотана нить, создающая момент сил относительно оси стола. Отпустите тормоз стола. Индикатор таймера высветит время X поворота стола на угол ϕ = 2ω или 4ω, если ручка тумблера «1/ Т/2» – соответственно в положении «1» или «2». Угловое ускорение

β = 2ϕ/τ2.