Демонстрация смещения оси вращения подъемного крана и вынужденных механических колебаний

Установка состоит из штатива с двойным основанием (из двух квадратных дощечек размером 18 X 18 см). По углам верхней и нижней дощечек на расстоянии 3 см от края укрепляют друг против друга пружинодержатели 1, снабженные жесткими пружинами длиной около 3 см и диаметром несколько меньшим диаметра пружинодержателя (рис. 127).

Рис. 127. Прибор для демонстрации смещения оси вращения подъемного крана

По углам верхней дощечки монтируют 4 лампочки а, б, в и г, к винтовой нарезке которых припаивают провод 3. На нижней дощечке против цоколя лампочек укрепляют гибкие контакты 4, соединенные проводом 5. На время демонстрации опыта концы проводов соединяют с аккумулятором.

Основание штанги штатива утяжелено балластом. В качестве балласта удобно использовать крупные шарикоподшипники. Гибкие контакты 4 должны быть тщательно отрегулированы.

При наличии нагрузки 9 и противовеса 8 зажигаются лампочки в и г, при повороте стрелы на 90° зажигаются лампочки б и в или а и г. При снятии нагрузки 9 зажигаются лампочки со стороны противовеса а и б.

Общий вес грузов (груз, противовес и балласт) подбирается таким, чтобы расстояние между половинками пружинодержателей составляло 2—3 мм. Высота пружинодержателей зависит от жесткости пружины. Ограничители 7 — полоски жести, прибитые к нижней площадке и загнутые над верхней, служат для предохранения пружин от деформации.

Демонстрация вынужденных механических колебаний и явления резонанса. Демонстрацию вынужденных колебаний и явления резонанса с вертикально подвешенным пружинным маятником весьма трудно осуществить, так как груз на пружине, кроме колебаний в вертикальном направлении, начинает раскачиваться и в горизонтальной плоскости.

В предлагаемом варианте колебания маятника в горизонтальной плоскости легко устраняются.

Маятник состоит из пружины и груза весом примерно 300 Г. Пружину можно взять из прибора «Ведерко Архимеда», в комплект которого входит динамометр. Чтобы устранить боковые колебания, пружину с грузом помещают в стеклянную трубку несколько большего диаметра, чем груз. Трубку надо укрепить на штативе.

Возбуждение маятника осуществляется от эксцентрика, установленного на оси центробежной машины с червячной передачей.

На коническом стержне закрепляют проволоку, придав ей форму, напоминающую эксцентрик (рис. 128). Создание специального шатунно-кривошипного механизма здесь излишне. Общий вид установки приведен на рисунке 129.

Рис. 128. Закрепление проволоки на коническом стержне

Рис. 129. Общий вид установки для демонстрации вынужденных колебаний и явления резонанса

Демонстрация осуществляется следующим образом. Вначале демонстрируем собственные колебания маятника выведя последний из положения равновесия. Затем вращая ручку центробежной фашины, демонстрируем вынужденные колебания маятника как при малых, так и при больших частотах. Амплитуда колебаний при этом небольшая. Постепенно увеличивая частоту колебаний, добиваемся резонанса. Амплитуда колебаний делается весьма большой. Трение груза и пружины о стеклянную трубку незначительно, и им можно пренебречь.

Демонстрация явления Доплера. На оси 1 центробежной машины закрепляют стержень 2 с полым бумажным конусом 3 на одном конце и противовесом 4 на другом (рис. 130).

Рис. 130. Установка для демонстрации явления Доплера

Внутри конуса (у его вершины) укреплен язычковый звучатель типа губной гармошки. Если вращать центробежную машину, то воздух будет засасываться в полость конуса и выходить через звучатель. При этом создается звук определенного тона.

Ввиду того что излучатель звука, заключенный в конус, движется вместе с последним с некоторой скоростью относительно слушателей, периодически от них удаляясь и приближаясь, высота тона звука также периодически будет меняться — повышаться и понижаться.

Расстояние излучателя звука от оси вращения равно 0,6 м. Число оборотов центробежной машины равно 3 в секунду. При этом скорость излучателя звука относительно слушателей равна 40 км/ч.

Простота установки и эффективность демонстрации позволяет использовать ее на уроках астрономии, на внеклассных занятиях в средней школе и как лекционную демонстрацию в высшей школе.