close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY3269

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(19)
BY (11) 3269
(13)
C1
(51)
(12)
6
G 01N 19/02
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ
КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ
(54)
(21) Номер заявки: 961116
(22) 1996.12.10
(46) 2000.03.30
МАЯТНИКОВЫЙ ТРИБОМЕТР
(71) Заявитель: Белорусская государственная политехническая академия (BY)
(72) Авторы: Джилавдари И.З., Русак А.А. (BY)
(73) Патентообладатель: Белорусская государственная политехническая академия (BY)
(57)
1. Маятниковый трибометр, включающий в себя маятник, исследуемую пару трения, по меньшей мере
один измеритель времени движения маятника с флажком, установленным на подвижной части маятника, и
неподвижными первой и второй диодными оптопарами, а также устройство для измерения отклонения маятника от положения равновесия, отличающийся тем, что в него введены блок измерения ускорения w0 маятника в момент начала его движения из положения максимального отклонения, первый и второй блоки
измерения ускорения w1 маятника в момент прохождения им положения равновесия с различной точностью
измерения в различных диапазонах, тело с известными массой и положением центра масс, которое установлено на маятнике с возможностью перемещения относительно оси вращения маятника, при этом блок измерения ускорения w0 содержит измеритель времени движения маятника на участке траектории длиной h0 от
положения максимального отклонения, включающий в себя первую неподвижную оптопару, ось которой
совпадает с положением максимального отклонения маятника, флажок шириной h0, установленный на маятнике так, что при максимальном отклонении маятника передний край флажка, направленный к положению
равновесия, касается оси первой оптопары, и соединенный с выходом оптопары первый таймер, выход которого соединен со входом первого вычислительного блока, причем величина h0 удовлетворяет условию
BY 3269 C1
d < h0 < 7,3 ε 0 Х1,
Фиг. 1
где Х1 — максимальное линейное отклонение флажка от положения равновесия;
d — диаметр диафрагмы, установленной перед фотодиодом в оптопаре;
ε0 — относительная погрешность оценки w0,
первый блок измерения ускорения w1 содержит измеритель времени движения маятника на участке траектории длиной h от положения равновесия, включающий в себя вторую неподвижную оптопару, ось кото-
BY 3269 C1
рой совпадает с положением равновесия маятника, флажок шириной h, установленный на маятнике так, что
передний край флажка, направленный перед началом измерения к положению равновесия, в положении равновесия маятника касается оси второй оптопары, и соединенный с выходом второй оптопары второй таймер,
выход которого соединен с первым входом второго вычислительного блока, причем величина h удовлетворяет условию
d < h < 6εХ1,
где ε — относительная погрешность оценки w1,
первый блок измерения ускорения w1 содержит также измеритель времени движения маятника на участке
траектории длиной h1, расположенном симметрично относительно положения равновесия маятника, включающий в себя третью неподвижную оптопару, ось которой совпадает с положением равновесия маятника,
флажок шириной h1, установленный на маятнике так, что в положении равновесия маятника середина флажка касается оси третьей оптопары, и соединенный с выходом третьей оптопары третий таймер, выход которого соединен со вторым входом второго вычислительного блока, причем величина h1 удовлетворяет
условию
d < h1 < 2 0,6ε Х1,
второй блок измерения ускорения w1 содержит измеритель времени движения маятника на участке траектории от положения максимального отклонения до положения равновесия, включающий в себя указанные
выше первую и вторую неподвижные оптопары, флажок шириной h2, установленный на маятнике так, что в
положении максимального отклонения его передний край, направленный при движении к положению равновесия, касается оси первой оптопары, а в положении равновесия маятника — оси второй оптопары, и соединенный с выходами обеих оптопар четвертый таймер, выходы четвертого таймера и первого
вычислительного блока соединены соответственно с первым и вторым входами третьего вычислительного
блока, причем величина h2 удовлетворяет условию
d < h2 ≤ h,
второй блок измерения ускорения w1 содержит также измеритель времени одного полного цикла колебаний, начиная от положения равновесия, включающий в себя указанную выше вторую неподвижную оптопару, флажок шириной h2, установленный на маятнике так, что его передний край, направленный перед
началом движения к положению равновесия, в положении равновесия маятника касается оси второй оптопары, и соединенный через диод с выходом второй оптопары пятый таймер, выход которого соединен со входом третьего вычислительного блока.
2. Маятниковый трибометр по п. 1, отличающийся тем, что флажки выполнены в виде единого плоского
тела, имеющего участок шириной h1 и участок шириной h0=h=h2.
(56)
1. Ахматов А.С. Молекулярная физика граничного трения. – М.: ГИФМЛ, 19б3. – С. 187-190, 433-436.
2. Купчинов Б.И., Родненков В.Г., Ермаков С.Ф. Введение в трибологию жидких кристаллов. – Гомель.:
ИММС АНБ, "Информтрибо", 1993. – С. 33-38.
3. Измайлов В.П, Карагиоз О.В., Силин А.А. Измерение коэффициента трения качения диссипативным
методом // Современные методы и средства измерения внешнего трения. Научные труды / ВНИИФТ и РТИ,
1977. – С. 47-51.
4. Материалы конструкционные и смазочные. Методы экспериментальной оценки коэффициента трения.
ГОСТ 27640-88. — М.: Государственный комитет СССР по стандартам. 1988. - С. 13-16.
5. Гетманская В.В. и др. Влияние трения на свободные колебания горизонтального крутильного маятника. Гравиинерциальные исследования. - М.: Наука, 1963. - С. 227.
6. Вибрации в технике. Справочник. Колебания нелинейных механических систем. - М.: Машиностроение. - Т. 2, 1979.
7. Карасик И.И. Методы трибологических испытаний в национальных стандартах стран мира. - Центр.:
Наука и техника, 1993.
8. ГОСТ 23.214-83. – С. 13-16.
Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения сил
внешнего трения качения и скольжения.
Известно маятниковое устройство в виде наклонного маятника для измерения сил внешнего трения,
представляющее собой тело, чаще всего шарик, подвешенное на нити и свободно катающееся или скользящее по наклонной плоскости [1].
Известен также маятник со значительным моментом инерции для исследования закономерностей сухого
и граничного трения [1]. Эти закономерности исследовались в специальном узле трения в виде или ползуна,
жестко связанного с маятником, или в виде стержня, упирающегося в пластину под действием груза.
Известны также маятниковые трибометры [2, 3], в которых узлом трения является сама опора маятника.
Эти трибометры используются для исследования силы трения [2] и скольжения [3].
2
BY 3269 C1
Все эти устройства позволяют исследовать влияние различных факторов на процессы трения по характеру зависимости амплитуд свободных затухающих колебаний маятника от времени. Однако точность и диапазон измерения сил и коэффициентов трения в них невелики, как вследствие невысокой точности измерения
самих изменяющихся амплитуд, так и, в первую очередь, вследствие неоднозначности связи силы трения с
величиной изменения амплитуды.
Наиболее близким по своей технической сущности к предлагаемому является маятниковый трибометр
для измерения трения качения с опорой в виде двух шариков, катающихся в пределах малого угла по испытываемой плоской поверхности [4]. В этом устройстве амплитуда колебаний определяется косвенным методом путем измерения времени ∆t движения флажка, установленного на маятнике, между двумя
неподвижными оптопарами (светодиод-фотодиод), расположенными симметрично относительно положения
равновесия маятника. Если обозначить через γ угол поворота маятника при перемещении флажка от одной
оптопары к другой, то угловая амплитуда α колебаний маятника будет связана с γ приближенным соотношением [5, формула (10)]
γ
α=
,
(1)
ω 0 ∆t
где ω0 - собственная частота колебаний маятника.
Конструкции описанных выше аналогов и прототипа позволяют реализовать только один способ измерения сил и коэффициентов трения. Он сводится, так или иначе, к измерению амплитуд маятника, совершающего свободные колебания, затухающие под действием сил трения.
Однако этот способ измерения не позволяет измерять силу трения непосредственно. Дело в том, что в основе используемого в нем метода оценки силы трения лежит соотношение [6]
1
2π
F(αω 0 sin ψ ) sin ψdψ,
(2)
mω02 0
где ∆α - изменение амплитуды свободных колебаний за один цикл колебаний;
F - обобщенная сила (например, сила или момент силы) трения;
m - инерционный коэффициент (масса или момент инерции).
Оно связывает изменение ∆α амплитуды свободных колебаний за один полный цикл с работой силы трения F. Однако это соотношение не позволяет однозначно связать ∆α и F. Поэтому в данном способе приходится заранее предполагать вид зависимости силы трения от скорости, т. е. вид функции F(v). В случае
малого трения проверить это соотношение невозможно, поскольку в этом случае единственным методом измерения является все тот же маятниковый способ. Поэтому результаты, получаемые трибометром - прототипом вызывают недоверие. Реальные значения сил трения могут отличаться от полученных в несколько раз.
Кроме того, трибометр - прототип позволяет проводить измерения коэффициентов трения лишь в интервале от 10-5 до 10-2 [7] (отметим, что в последнем ГОСТе [4] ошибочно указан диапазон измерения 10-5 - 10-12,
в чем нетрудно убедиться из [7] и старого ГОСТа [8]). В то же время встречающиеся на практике коэффициенты трения изменяются в диапазоне от менее 10-6 до близких единице, т. е. в диапазоне, занимающем шесть
и более порядков.
Отметим, что приборы, измеряющие силы или какие-либо другие механические величины, обеспечивают,
как правило, достаточно высокую точность измерений в диапазоне, не превышающем трех порядков.
Помимо указанного выше методического недостатка, присущего всем известным маятниковым трибометрам, трибометр - прототип обладает и техническим недостатком. В нем указанный выше диапазон углов γ
задается расстоянием между двумя оптопарами. Время движения маятника в этом диапазоне углов определяется временем движения флажка, ширина которого равна ширине щели или диаметру диафрагм на входе
фотодиода оптопары, установленного на маятнике при его движении вместе с маятником от одной оптопары
к другой. Поэтому точность измерения времени ∆t здесь ограничена нетождественностью характеристик
этих оптопар, поскольку порог срабатывания у них всегда разный и изменение этих порогов, которое имеет
место в силу различных причин, происходит независимо. Кроме того, подобная конструкция измерителя
времени перемещения маятника на заданном участке траектории не позволяет реализовать другие способы
измерений сил и коэффициентов трения.
Задачей изобретения является увеличение точности маятникового трибометра и расширение его диапазона.
Это достигается тем, что в известный маятниковый трибометр для измерения силы или момента силы
трения, включающий в себя физический маятник, исследуемую пару трения, по меньшей мере, один измеритель времени перемещения маятника, с флажком, установленным на подвижной части маятника, и неподвижными первой и второй диодными оптопарами, а также устройство для измерения отклонения маятника
от положения равновесия, введены:
∆α = −
³
3
BY 3269 C1
блок измерения ускорения w0 маятника в момент начала движения из положения максимального отклонения,
первый и второй блоки измерения ускорения w1 маятника в момент прохождения им положения равновесия с различной точностью измерения в различных диапазонах,
тело с известными массой и положением центра масс, которое установлено на маятнике с возможностью
перемещения относительно оси вращения маятника, при этом блок измерения ускорения w0 содержит измеритель времени τ0 движения на участке траектории длиной h0 от положения максимального отклонения маятника, включающий в себя первую неподвижную оптопару, ось которой совпадает с положением
максимального отклонения маятника, флажок шириной h0, установленный на маятнике так, что при максимальном отклонении маятника передний край флажка, направленный к положению равновесия, касается оси
первой оптопары, и соединенный с выходом оптопары первый таймер, выход которого соединен с входом
первого вычислительного блока, причем величина h0 удовлетворяет условию
(3)
d < h < 7,3 ε x ,
0
0 1
где x1 - максимальное линейное отклонение флажка от положения равновесия;
d - диаметр диафрагмы, установленной перед фотодиодом в оптопаре;
ε0 - относительная погрешность оценки ускорения w0,
первый блок измерения ускорения w1 содержит измеритель времени τ движения на участке траектории
длиной h от положения равновесия, включающий в себя вторую неподвижную оптопару, ось которой совпадает с положением равновесия маятника, флажок шириной h, установленный на маятнике так, что передний
край флажка, направленный перед началом движения к положению равновесия, в положении равновесия маятника касается оси второй оптопары, и соединенный с выходом второй оптопары второй таймер, выход которого соединен со входом второго вычислительного блока, причем величина h удовлетворяет условию
(4)
d < h < 6εx1 ,
где ε - относительная погрешность оценки ускорения w1,
первый блок, измерения ускорения w1 содержит также измеритель времени τ1 движения на участке траектории длиной h1, расположенном симметрично относительно положения равновесия маятника, включающий
в себя третью неподвижную оптопару, ось которой совпадает с положением равновесия маятника, флажок
шириной h1, установленный на маятнике так, что в положении равновесия маятника середина флажка касается оси третьей оптопары, и соединенный с выходом третьей оптопары третий таймер, выход которого соединен со входом второго вычислительного блока, причем величина h1 удовлетворяет условию
(5)
d < h < 2 0,6εx ,
1
1
второй блок измерения ускорения w1 содержит измеритель времени t1 движения на участке траектории от
положения максимального отклонения до положения равновесия, включающий в себя указанные выше первую и вторую неподвижные оптопары, флажок шириной h2, установленный на маятнике так, что в положении максимального отклонения его передний край, направленный при движении к положению равновесия,
касается оси первой оптопары, а в положении равновесия маятника - оси второй оптопары, и соединенный
с выходами обеих оптопар четвертый таймер, выходы четвертого таймера и первого вычислительного блока
соединены соответственно с первым и вторым входами третьего вычислительного блока, причем величина h2
удовлетворяет условию
(6)
d < h2 ≤ h,
второй блок измерения ускорения w1 содержит также измеритель времени T1 одного полного цикла колебаний, начиная от положения равновесия, включающий в себя указанную выше вторую неподвижную оптопару, флажок шириной h2, установленный на маятнике так, что его передний край, направленный перед
началом движения к положению равновесия, в положении равновесия маятника касается оси второй оптопары, и соединенный через диод с выходом второй оптопары пятый таймер, выход которого соединен с входом третьего вычислительного блока.
В прелагаемом маятниковом трибометре максимальное отклонение x1 маятника является его начальным
отклонением. Это позволяет измерить величину x1 наиболее просто и точно, поскольку в этом случае мы
имеем дело с неподвижным маятником.
В предлагаемом маятниковом трибометре флажки выполнены в виде единого плоского тела, имеющего
участок шириной h1 и часть шириной h0 = h = h2. Это также существенно упрощает конструкцию трибометра.
Таким образом, предлагаемый маятниковый трибометр имеет следующие отличительные признаки:
1. Новые функциональные блоки, обеспечивающие измерение ускорений w0 и w1.
2. Дополнительное тело, установленное на маятнике определенным образом.
3. Новые количество и расположение оптопар.
4. Новую геометрию флажка и его расположение относительно маятника и оптопар.
5. Наличие таймеров и вычислителей.
4
BY 3269 C1
6. Связи выходов оптопар, входов и выходов таймеров и входов вычислителей.
Эти отличительные признаки обеспечивают трибометру новое качество, т. е. позволяют измерять ускорение маятника в определенные моменты времени или в заданных точках траектории движения маятника, а
также определять инерционные характеристики этого маятника и, таким образом, реализовать более точные
по сравнению с прототипом способы измерений сил и моментов сил трения и в более широком диапазоне.
Покажем, что эти отличительные признаки действительно необходимы по отдельности и достаточны в
своей совокупности для решения поставленной задачи и достижения ожидаемого положительного эффекта.
Запишем дифференциальное уравнение движения маятника в виде
d 2α
Μ
(7)
sign (α ) ,
Ι
dt
где α - угол отклонения маятника от положения равновесия;
α - угловая скорость маятника;
М - момент силы трения, действующий на маятник, измерение которого является основной целью измерений с помощью предлагаемого трибометра;
ω0 - собственная циклическая частота маятника, которой он бы обладал при отсутствии трения;
Ι - момент инерции маятника относительно оси вращения.
Частота ω0 определяется формулой
2
= −ω 02 α −
ω0 =
mgL
,
Ι
(8)
где m - масса маятника;
L - расстояние от центра масс маятника до оси вращения;
g - ускорение свободного падения.
Из уравнения (7) видно, что, когда маятник проходит положение равновесия, т. е. угол α = 0 и угловая
скорость α ≠ 0, его угловое ускорение wα в этот момент времени определяется соотношением
w α1 =
d 2α
dt
2
=
Μ
.
Ι
(9)
Из (7) видно также, что, когда маятник находится в положении α = α1 максимального отклонения, в котором α = 0 и М = 0, его угловое ускорение wα0 в этот момент определяется соотношением
w α1 =
d 2α
dt
2
= ω02 α1 .
(10)
Отсюда и из (8), (9) имеем
Μ = mgL
w α1
α1 .
w α0
(11)
Угловое ускорение wα и угол α связаны с линейным ускорением w маятника и линейным перемещением х
флажка, установленного на маятнике: соотношениями
(12)
w = lwα, х = lα .
Поэтому искомый момент сил трения может быть определен по формуле
w
Μ = mgL 1 α1 .
(13)
w0
В предлагаемом трибометре величина α1 определяется известным устройством, имеющимся в любом из
трибометров - аналогов, а величины w1 и w0 - специальными измерительными блоками. Величина mgL определяется также с помощью специального устройства, представляющего собой тело с известными массой и
положением центра масс, установленного на маятнике с возможностью перемещения относительно оси вращения этого маятника.
Искомый момент М силы трения определяется по формулам (11) или (13) без каких-либо предварительных, предположений о характере зависимости М от скорости. Поэтому предлагаемый трибометр позволяет
реализовать, по существу, прямое измерение силы трения, что невозможно ни в одном из известных маятниковых трибометров. Поэтому этот трибометр позволяет достигнуть наибольшей точности измерения.
Предлагаемая конструкция измерителей времени τ0, τ и τ1, имеет точность, превосходящую точность измерителя времени в прототипе, поскольку каждый содержит лишь одну оптопару, световой поток которой закрывается и открывается флажком, движущимся в одном направлении. Поэтому порог срабатывания каждой
оптопары на открывание светового потока и его закрывание здесь будет один и тот же. Кроме того, эта конструкция измерителей времени гораздо проще чем, в прототипе, где измерение каждого интервала времени
требует использования двух оптопар.
5
BY 3269 C1
Что касается конструкции измерителя времени t1, которая содержит две оптопары, то, ввиду того, что сама
величина t1 гораздо больше, чем величина τ0, τ и τ1, относительная погрешность ее измерения будет не
больше аналогичных погрешностей измерения интервалов τ0, τ и τ1.
Чувствительность первого блока определения ускорения w1 меньше чувствительности второго потому,
что величина τ, изменение которой определяется величиной трения, существенно меньше величин t1 и T1,
изменение которых так же определяется величиной трения. При этом, с увеличением трения, точность определения ускорения w1 в первом блоке растет, а во втором блоке эта точность уменьшается. Поэтому первый
блок предназначен для измерения сил трения с коэффициентом в диапазоне от 10-3 до 1, а второй блок - в
диапазоне от менее 10-6 до 10-3. Благодаря этому достигается диапазон измерения, существенно превышающий аналогичный диапазон в прототипе.
Покажем теперь, что подвижное тело, установленное на маятнике в предлагаемом трибометре, действительно позволяет определить величину mgL, входящую в формулу (13).
Пусть в отсутствие дополнительного тела масса маятника, его момент инерции и расстояние от оси вращения до центра масс соответственно равны m0, I0, и lм (фиг. 1). Пусть масса дополнительного тела, его момент инерции относительно оси, проходящей через центр масс параллельно оси вращения маятника, и
расстояние от центра масс дополнительного тела относительно то же оси равны m1, I1, и l1 соответственно
(фиг. 1). Будем также считать, что дополнительное тело выполнено симметричным, так что его центр масс
находится в геометрическом центре. Тогда для величин, входящих в формулу (8), имеем
(14)
mgL = mglм + mgl1,
Ι = Ι 0 + Ι1 + mgl12 ,
(15)
и собственная частота маятника вместе с дополнительным телом будет определяться формулой
m l + m1l1
.
ω0 = g 0 м
(16)
Ι 0 + Ι1 + ml12
Переместим дополнительное тело вниз на расстояние ∆l. Тогда собственная частота маятника изменится
и будет определяться формулой
m l + m1 (l1 + ∆l )
.
ω'0 = g 0 м
(17)
Ι 0 + Ι1 + m(l1 + ∆l )2
Из (16) и (17) найдем, что
2
­
­
º ½½
ω02 ° ∆l lω'02 ª«§ ∆l ·
°
°°
¨¨1 + ¸¸ − 1» ¾¾ .
−
m 0 l м = m1l1 ®1 +
(18)
'2
2 ®l
g «©
l1 ¹
» °°
° ω0 − ω0 °̄ 1
¬
¼
¿¿
¯
Тогда величину mgL, входящую в формулу (11) для определения искомого момента силы трения, можно
будет найти по формуле (14).
Значения величин ω0 и ω'0 в формуле (18) могут быть определены в предлагаемом трибометре, согласно
формуле (10), путем измерения ускорений w0 и w '0 в соответствующем блоке и в первом вычислителе по
формуле
2h §
h ·
w 0 = 0 ¨¨1 + 0 ¸¸ ,
(19)
2
12
x1 ¹
τ0 ©
где x1 - максимальное линейное отклонение флажка от положения равновесия, причем величина h0 удовлетворяет условию
h 0 < 7,3 ε 0 x1 ,
(20)
где ε0 - задаваемая относительная погрешность оценки w0.
Измерение ускорения w1 в соответствующем блоке, меньшей чувствительности, осуществляется с помощью второго вычислителя по формуле
2h § h1 τ ·
¨¨1 −
¸,
w1 =
(21)
h τ1 ¸¹
τ2 ©
причем величины h и h1 удовлетворяют условиям:
h < 6εx1 ,
(22)
h1 < 2 0,6ε x1 ,
(23)
где ε - задаваемая относительная погрешность оценки w1.
6
BY 3269 C1
Выбор положения флажка шириной h является не случайным. Это положение позволяет измерять ускорение w маятника на участке траектории длиной h, начало которого совпадает с положением равновесия. Как
видно из фиг. 2 (пунктирная кривая) ускорение w флажка, движущегося из положения максимального отклонения к положению равновесия, меняет знак в момент времени t0 до положения равновесия. С другой стороны, в формуле (21) предполагается, что ускорение маятника остается постоянным на протяжении всего
отрезка h. Поэтому при измерении времени на участке траектории, расположенным за положением равновесия (х = 0), где ускорение w не меняет знак, точность оценки ускорения w1 будет выше.
Отметим также, что чем больше трение, тем больше интервал времени между t0 и t1, тем меньше изменение w на участке от х = 0 до х = h и тем выше точность оценки w1 по формуле (21). При этом, однако,
уменьшается точность измерения скорости v = h1/τ1. По этой причине желательно выбирать величину h1 малой.
Измерение ускорения w1 в соответствующем блоке, большей чувствительности, осуществляется с помощью третьего вычислителя по формуле
º
§ Τ2
· π2
4π 3 x1 ª
« Α − 1 + Α¨ 1 − 1¸ −
w1 =
Α(Α − 1)2 » ,
(24)
2 «
2
¨Τ
¸ 2
»¼
Τ1 ¬
© 0
¹
где
4t
Α= 1 ,
Τ1
4π 2
x1 .
w0
Эта формула тем точнее, чем меньше трение. Практически она обеспечивает высокую точность при коэффициентах трения, меньших 10-2.
На фиг. 1 схематически представлен пример конкретного выполнения предлагаемого маятникового трибометра.
На фиг. 2 представлены графики зависимостей величины отклонения х (сплошная кривая) флажка, установленного на маятнике, от положения равновесия и линейного ускорения w флажка (пунктирная кривая) в
зависимости от времени.
На фиг. 3 представлены форма и размеры флажка, перекрывающего световые потоки оптопар измерителей интервалов времени, и его положения относительно диафрагм, установленных, перед фотодиодами этих
оптопар.
Трибометр содержит маятник 1 с опорой в виде подшипника качения, подвижное дополнительное тело 2,
узел трения, состоящий из плоского неподвижного тела 3, прижимаемого к подвижному контртелу 4 с помощью пружины, а также флажок 5, прикрепленный к нижней части маятника.
Измерительная система трибометра содержит оптопару 6 (светодиод расположен вверху, фотодиод - внизу), выход которой соединен с входом таймера 7, выход которого соединен с первым вычислителем 8, выход
оптопары 6 соединен также с таймером 9. Измерительная система содержит также оптопару 10, выход конторой соединен со входом таймера 11, и оптопару 12, выход которой соединен с входом таймера 9, таймера 13
и, через диод, с таймером 14.
Выход вычислителя 8, а также выходы таймеров 9 и 14 соединены со входом третьего вычислителя 15.
Выходы таймеров 11 и 13 соединены со входом второго вычислителя 16.
Вертикальные пунктирные линии в оптопарах 6, 10 и 12 на фиг. 1 изображают оси этих оптопар. Эти оси
показывают направление лучей света, распространяющихся в соответствующих оптопарах от светодиодов к
фотодиодам. Перед фотодиодами расположены диафрагмы, показанные на фиг. 3 в виде кружков, обозначенных цифрами 6', 10', 12', соответствующих номерам самих оптопар.
На фиг. 3 флажок показан в момент времени t = 0 (в этот момент х = x1) и в момент времени t = t1 (в этот
момент х = 0), причем в эти моменты времени флажок движется вправо.
Измерения момента силы трения, самой силы и коэффициента трения в данном трибометре выполняют
следующим образом.
Отклоняют маятник 1 на угол α1 перпендикулярно плоскости рисунка на фиг. 1. Тело 2 приводят в верхнее положение так, чтобы его центр масс находился на расстоянии l1 от оси вращения маятника. Отводят испытываемое тело 3 от контртела 4, с целью уменьшения трения, и измеряют угол α1, например, по шкале,
которая на рисунке не показана.
Отпускают маятник. В момент начала движения правый край флажка 5 (фиг. 3) закрывает диафрагму 6' и
световой луч оптопары 6. На выходе оптопары формируется электрический импульс, запускающий таймер 7.
Пройдя оптопару 6, флажок 5 открывает световой луч оптопары 6. На выходе оптопары формируется
второй электрический импульс с полярностью, противоположной первому, который запирает таймер 7. На
этом таймере отсчитывается время τ0 движения флажка на участке от х = х1 до х = х1 – h0. По известным знаΤ02 =
7
BY 3269 C1
чениям h0, τ0 и х1 = lα, где l - расстояние от флажка до оси вращения маятника, по формуле (19) в вычислителе 8 определяется ускорение w0 флажка маятника.
Снова отклоняют маятник 1 в исходное положение α1 или х1 (фиг. 2, 3). Перемещают на маятнике подвижное тело в положение 2' на расстояние l1 + ∆l оси вращения маятника. Отпускают маятник 1 и, как и выше, определяют ускорение маятника w'0. По формулам (10) и (12) определяют частоты ω0 и ω'0. По формуле
(18) определяют величину m0lм и по формуле (14) определяют величину mgL.
Приводят дополнительное тело на маятнике в прежнее верхнее положение 2 и исследуемое тело 3 прижимают с помощью пружины к контртелу 4. Отводят маятник в исходное положение с углом α1.
Отпускают маятник. При своем движении вправо правый край флажка 5 закрывает диафрагму 6' и световой поток оптопары 6 (фиг. 3), электрический сигнал с которой запускает таймер 9. Подходя к положению
равновесия, флажок 5 своим правым краем закрывает диафрагму 10' и световой поток оптопары 10, сигнал с
которой запускает таймер 11. Продолжая движение вправо, флажок 5 закрывает диафрагму 12' и световой
луч оптопары 12, электрический сигнал которой запирает таймер 9. На этом таймере фиксируется время
движения маятника t1 на участке от х = x1 до х = 0. Этот же электрический сигнал запускает таймер 13 и таймер 14.
Продолжая движение вместе с маятником вправо, флажок 5 открывает диафрагму 10' и световой луч оптопары 10, электрический сигнал которой запирает таймер 11. На этом таймере фиксируется время τ1 движения маятника на участке от х = - h1/2 до х = h1/2 (фиг. 2).
Продолжая движение вправо, флажок 5 открывая диафрагму 12' и световой поток оптопары 12, электрический
сигнал которой запирает таймер 13. На этом таймере фиксируется время τ движения маятника на участке от
х = 0 до х = h. Последний электрический сигнал с опто-пары 12 не влияет на таймер 14, поскольку он задерживается диодом.
Таймер 14 закроется тогда, когда на него поступит сигнал с оптопары 12, диафрагма которой 12' и световой поток закроются флажком 5, движущимся вместе с маятником снова справа - налево. Тогда на этом таймере зафиксируется время Т1 одного полного цикла колебаний маятника между двумя последовательными
прохождениями положения равновесия.
Сигналы с таймеров 9 и 14 и с вычислителя 8 поступают на вычислитель 15, в котором по формуле (24)
определяется ускорение w1 маятника в момент прохождения им положения равновесия.
Сигналы с таймеров 11 и 13 поступают в вычислитель 16, в котором ускорение w1 определяется по формуле (21).По полученным значениям w1, w0, mgL и α1 из формулы (13) находят искомый момент М силы
трения в узле трения 3-4. Силу трения F в этом узле легко найти, разделив М на расстояние r от оси вращения маятника до точки контакта тела 3 и контртела 4 (фиг. 1). Коэффициент трения находят, разделив F на
силу давления пружины, прижимающей тело 3 к контртелу 4.
Фиг. 2
Фиг. 3
Государственный патентный комитет Республики Беларусь.
220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66.
8
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
222 Кб
Теги
by3269, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа