Разработка макета экспериментальной установки для определения коэффициента жесткости цилиндрических пружин и исследования свободных гармонических колебаний

Целью исследования является разработка макета экспериментальной установки, позволяющей проводить исследования с упругими элементами путем осуществления силового воздействия на них, а также автоматического сбора данных и их анализа, который позволяет определять коэффициент жесткости и исследовать простые гармонические колебания.

Методы. Разработанное устройство позволяет определять коэффициент упругости пружины двумя методами – статическим и динамическим. Динамический метод требует строгого соблюдения определенной методики экспериментальных исследований. При этом исследуемая система находится под действием восстанавливающей силы, прямо пропорциональной смещению, т.е. она представляет собой простой генератор гармонических колебаний. Создаваемый прототип экспериментальной установки включает в себя несущую конструкцию, систему управления, к который подключен ультразвуковой датчик измерения расстояния, и специальное мобильное приложение, позволяющее визуализировать и записывать результаты проведенных измерений в удобной для пользователя форме.

Результаты. Разработанный прототип позволяет определить деформацию пружины статическим и динамическим методами, а наличие специального мобильного приложения для устройств с операционной системой "Android" позволяет пользователю управлять устройством со своего мобильного телефона. Экспериментальное устройство позволяет визуализировать графически полученные данные и осуществляет их экспорт в файл переменных значений. Экспортированные показатели выводятся в табличной форме для последующей обработки с помощью статистических инструментов или приложений для численных вычислений.

Заключение. Повышение качества образовательного процесса студентов-физиков требует широкого внедрения в учебный процесс специального оборудования для проведения экспериментальных исследований. Специфика такого оборудования может охватывать различные разделы механики, в том числе кинематику, колебательное движение, удар, упругость и т. п.

1. Палочкин С.В., Кошкин А.В. Экспериментальное определение коэффициентов поглощения тарельчатых пружин // Современные проблемы теории машин. 2017. № 5. С. 45-48.

2. Пат.170853 Российская Федерация МПК U1, Устройство для демонстрации и исследования свободных колебаний физического маятника / В.В. Дубинин, В.В. Витушкин, № 2016150472, заявл. 21.12.2016; опубл. 11.05.2017.

3. Мижидон А.Д., Баргуев С.Г. О собственных колебаниях механической системы каскадного типа, установленной на упругом стержне // Вестник ВСГТУ. 2010. № 1. С. 26-32.

4. Нелинейные колебания механических систем с одной и двумя степенями свободы / Д.А. Гришко, В.В. Лапшин, Е.С. Студенников, А.Н. Тарасенко, В.В. Леонов // Инженерный журнал: наука и инновации. 2018. № 6 (78). С. 2.

5. Пирогов С.П., Чуба А.Ю. Экспериментальные исследования собственных частот колебаний трубчатых манометрических пружин // Проблемы эксплуатации систем транспорта: сборник материалов всероссийской научно-практической конференции, посвященной 45-летию со дня основания Тюменского индустриального института им. Ленинского комсомола. Тюмень, 2008. С. 243-245.

6. Хьюитт П. Концептуальная Физика. Мексика: Из-во «Общественное образование в Мексике», 2016. 816 с.

7. Alonso V. Determinación de la constante elástica de un muelle por dos métodos: Estático y Dinámico : Repositorio Documental // Universidad de Valladolid. 2017. [Электронный ресурс]. URL: https://uvadoc.uva.es/bitstream/handle/10324/30838/Practica%201%20-%20Constante%20Elastica?sequence=1

8. Сервей Р. А., Джуэтт Дж. В. Физика для науки и техники. Т.1. Мексика: изд. CENGAGE, 2019.

9. Петров А.Г., Шундерюк М.М. О нелинейных колебаниях тяжелой материальной точки на пружине // Известия Российской академии наук. Механика твердого тела. 2010. № 2. С. 27-40.

10. Саитов Ш.К.У. Анализ движения механической системы в обобщенных координатах // Фундаментальные и прикладные научные исследования: актуальные вопросы, достижения и инновации: сборник статей XX Международной научно-практической конференции. Пенза, 2019. С. 68-71.

11. Полищук А.Д., Гаранкина Е.Н. Колебания цилиндрических пружин //Технические науки - от теории к практике. 2012. № 11. С. 56-62.

12. Сайт «SparkFun Electronics». URL: https://cdn.sparkfun.com/datasheets/Sensors/Proximity/HCSR04.pdf

13. Сайт «Arduino Hardware». URL: https://www.arduino.cc/en/hardware.

14. Васильев А.В., Федоров Н.Н. Результаты теоретического и экспериментального исследования колебаний витков клапанных пружин механизма газораспределения двигателя// Известия Волгоградского государственного технического университета. Серия: Наземные транспортные системы. 2010. Т. 3. № 10 (70). С. 144-146.

15. Полищук А.Д. Использование форм колебаний при исследовании колебаний винтовых цилиндрических пружин // Вестник Башкирского университета. 2020. Т. 25. № 2. С. 239-244.

16. Миронова Л.И., Кондратенко Л.А. Колебания в нелинейном подпружиненном механизме с одной степенью свободы // Нелинейная динамика машин - School-NDM 2017: сборник IV Международной Школы-конференции молодых ученых. М., 2017. С. 356-363.

17. Сорокин Ф.Д., Су Ч. Виток пружины как конечный элемент для исследования динамики "длинных" пружин // Механика и математическое моделирование в технике: сборник тезисов. М., 2016. С. 80-84.

18. Маркеев А.П. Об устойчивости нелинейных колебаний связанных маятников // Известия Российской академии наук. Механика твердого тела. 2013. № 4. С. 20-30.

19. Сайт «EiscoLabs» Resorte de movimiento armónico de acero inoxidable, 7 pulgadas de largo, resorte constante 9-9.5 N/m : Amazon.es: Oficina y papelería. URL: https://www.amazon.es/Eisco-Labs-movimiento-inoxidable-constante/dp/B00PYRLNUK

20. Баргуев С.Г., Мижидон А.Д. Определение собственных частот простейшей механической системы на упругом основании // Вестник Бурятского государственного университета. 2009. № 9. С. 58-63.

21. Рыков С.П., Антонов И.В. Датчик колебаний: оценка конструктивных и эксплуатационных параметров // Труды Братского государственного университета. Серия: Естественные и инженерные науки. 2019. Т. 1. С. 212-219.

22. Ибрагимов М.А., Инсапов Д.М. Обзор конструкций винтовых цилиндрических пружин, обладающих демпфирующими свойствами // Современные проблемы железнодорожного транспорта: сборник трудов по результатам международной интернет-конференции. М., 2020. С. 372-379.

23. Попов И.П. Математическое моделирование мультиинертного колебательного механизма // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Машиностроение. 2020. Т. 20. № 1. С. 22-29.