Маятник на: Кроватка Papaloni Modello, маятник на роликах

Содержание

Кроватка Papaloni Modello, маятник на роликах

Кроватка Papaloni Modello, маятник на роликах гоголь-моголь купить в детском интернет-магазине ВотОнЯ по выгодной цене.

  Санкт-Петербург

Ваш город — Санкт-Петербург?

Да

Выбрать другой город

От выбранного города зависит наличие товара

ФЕДЕРАЛЬНЫЙ ОКРУГ

Северо-Западный

Центральный

Южный

Дальневосточный

Сибирский

Уральский

Приволжский

Северо-Кавказский

Регистрация

Войти

город получения заказа:

Санкт-Петербург

Выберите округ

Северо-Западный

Центральный

Южный

Дальневосточный

Сибирский

Уральский

Приволжский

Северо-Кавказский

или воспрользуйтесь поиском

перейти в:

Каталог детских товаров

Каталог cемейной аптеки

способ доставки:

Наши магазины
(розничные покупки и выдача заказов)

Дополнительные пункты выдачи

мой кабинет:

Регистрация

Войти

Кроватка Papaloni Modello, маятник на роликах
гоголь-моголь


гоголь-моголь

Нет в наличии.
Ожидается поставка

Сообщить о поступлении

Сообщить о поступлении

Самовывоз:
(бесплатно)

Курьером по СПб:
(бесплатно от 2500 руб)

недоступно. нет на складе

Добавить в закладки

Детская кроватка Modello с поперечным маятниковым механизмом выполнена из натуральной древесины бука, МДФ. Прочная и долговечная древесина и спинки из МДФ покрыты безопасной краской, разработанной специально для производства детской мебели.

Оснащена опускающейся, полностью съемной боковиной. На обеих боковинах предусмотрены ПВХ-накладки. Два уровня положения подматрасника Поперечный маятниковый механизм качания. При снятой опускающейся боковине кроватка может использоваться в качестве стационарного диванчика на возраст Вашего малыша до 4-х лет.

Кровать комплектуется выдвижным ящиком для белья.

Корпус кроватки: массив бука.

Спинка декоративная: МДФ, 22 мм.

Ящик маятника: ЛДСП, ДВПО.

Спальное место 120*60 см.

Внешние размеры в собранном виде Д 126 * Ш 75 * В 119 см.

Обращаем Ваше внимание!

  • Изображения на мониторе, включая цвет, могут отличаться от реального внешнего вида. 
  • Одинаковые цвета мебели разных производителей практически всегда ОТЛИЧАЮТСЯ!
  • Собранная мебель возврату и обмену не подлежит!

Средний рейтинг

Пока нет отзывов

Вы должны быть авторизованы, чтобы оставить отзыв

Вес брутто: 38.66 кг

Размеры упаковки: 125×78×23 см

Код производителя: Modello маятник 120х60 / Гоголь-моголь

Страна изготовления: РОССИЯ

Цвет: гоголь-моголь

Рекомендуемый возраст: с 0-4 лет

это пустое модальное окно

Кроватка с маятником. Плюсы и минусы

Кроватка для новорождённых – это один из самых главных и важных атрибутов мебели в детской комнате. Именно поэтому к его выбору следует подходить осознанно и быть хорошо подготовленным в данном направлении. Рынок предлагает большое количество моделей и вариаций спального места малыша. Определиться бывает довольно сложно. Кроватки с маятниковым механизмом занимают лидирующие место и пользуются популярностью среди покупателей. Следующими после них идут традиционные (стационарные) кроватки. Кровати с 0 до 3 лет с данным механизмом бывают различного типа качания: универсальное качание, продольное качание, поперечное качание. Так в чем же плюсы и минусы кроватей с данным механизмом?

Плюсы:

  • Возможность укачивать ребенка непосредственно в кроватке
  • Универсальный механизм позволяет выбрать то качание, которое подходит для вашего малыша.
  • Возможность поставить кровать на стопор, и она становится обычной не подвижной моделью
  • С первых месяцев жизни до момента, когда малыш научится сам переворачиваться и вставать в кроватке – данный механизм помогает маме укачивать ребенка и успокаивать его, если он плачет. А когда ребенок уже самостоятельно научится вставать, то кроватку лучше всего поставить на стопор и закрепить положение.
Минусы:
  • Высокая стоимость данных моделей
  • Дети, привыкшие уже засыпать под укачивание, плохо засыпают без него уже во взрослым возрасте.
  • Стоит отметить, что положительных моментов у данных моделей больше, нежели отрицательных. На различных форумах обсуждаются плюсы и минусы данных моделей кроватей, но стоит отметить, что данная информация сугубо личная и основывается на личном опыте мам. А когда малыш еще в животике предугадать какая кроватка придется ему по вкусу довольно сложно, именно поэтому популярны кроватки с универсальным механизмом качания.

детская кроватка с продольным маятником, 7 отзывов

Юлия Панфилова оставил(а) отзыв 30 мая 2019
опыт использования: менее месяца

Отзыв полезен? Да 12 / Нет 0

хорошая модель

Качество изготовления

Адекватность цены

Удобство эксплуатации

Достоинства: Качественно сделаны основные детали, простая, но благородная.

Недостатки: Местами не хорошо окрашена, попали под покраску какие то опилки, вместе с ними и закрасили, вместе стыка не аккуратно прокрашено, нижняя панель ламинат, сделана плохо, для ящика, пленка прорвалась от вкрученного шурупа.

Комментарий: Сделана хорошо, механизм опускания передней стенки тяжелый, надо так не мало усилий применить, у нас поставлен на самый нижний уровень, так как ребёнку год уже, она глубокая, спящего ребёнка с рук в саму кроватку с трудом укладываю, не достаю до ее дня, а опускать стенку на руках с ребёнком не реально. В остальном, механизм хороший, бесшумно и легко катается, колёсики спасают, когда нужно передвинуть ее. Кроватка тяжёлая, дородная, приятно трогать, гладкая. Покрытие отличное, есть недочёты при ее окрашивание, не особо внимательно мастер делал свою работу. Ящик удобный, фурнитура качественная. Да, сборка была не быстрая, супруг справился часа за два, можно быстрее, если есть шуруповёрт. Не понравился ламинат, он вздувается от вкрученых болтов, хотя болты подобраны по размеру. В комплекте все было, болтов столько сколько нужно для сборки. Ребёнок спит в ней, да и при полной блокировки маятника ползает, скачет! Все супер! Я ее рекомендую, у нас уже были кроватки, заказывали итальянскую, пришла с браком, качество у итальянских хуже!!! Необращая внимание на недочёты, я рекомендую ее всем, кому необходим консерватизм в дизайне, качество, и доступные цены!!! Доставка от магазина была в срок, менеджеры вежливые, все супер!!! Приобретайте, не пожалеете!!!

Какой маятник лучше продольный или поперечный

Первый вопрос — нужен ли кроватке для Новорожденного маятник вообще?

Кроватка Julietta с продольным маятником

На этот вопрос нет однозначного ответа, так как все детки разные и по-разному засыпают по своим, неизвестным нам причинам, о которых мы часто можем только догадываться, да и не всегда можно выделить комнату для ребенка, где можно обеспечить необходимую тишину и покой в момент приготовления малыша ко сну.

Но, во многих случаях маятник просто необходим для укачивания, и как дополнительный аргумент в пользу маятника можно сказать, что у славян колыбель была подвесная и укачивание ребенка в колыбели было традицией, и с колыбелью и укачиванием были связаны определенные ритуалы и приметы.

Так же необходимо сказать, что в первые месяцы жизни для того, чтобы малыш успокоился, достаточно коснуться его рукой, это потому что для маленьких детей очень важен и необходим тактильный контакт, малыш чувствует, что взрослый рядом и беспокойство либо не возникает либо быстро уходит, поэтому кроватка должна стоять близко к вашей, чтобы ребенка ночью можно было успокоить простым касанием руки. В этом случае используется приставной вариант кроватки. У некоторых полноразмерных кроваток ограждение снимается и кроватка временно может превратиться в приставную, 

Приставной вариант кроватки со снятым ограждением, ложе можно установить на разных уровнях, в зависимости от высоты родительской кровати

Но не всегда прикосновение поможет успокоить ребенка, и ночью удобно укачивать малыша не вставая с кровати. Кровать с маятником так же можно установить рядом с родительской кроватью.

Какой же маятник лучше — продольный или поперечный?

Надо сказать, что качание для новорожденного привычно, так как в последние месяцы перед рождением малыш во время прогулок будущей мамы покачивался в такт ходьбе, а так как услови жизни малыша до рождения супер комфортные, то после рождения малыша во время укачивания ребенок возвращается в то блаженное состояние которое он испытывал до рождения! При этом как мы его укачиваем на продольном или поперечном маятнике ему совершенно все равно! Главное чтобы качание было мягкими и не интенсивным. Поэтому выбор направления качания маятника всецело зависит от предпочтений родителей, как им будет удобнее качать малыша.

Поэтому при выборе кроватки с маятником сначала надо ответить на вопрос — «как будет размещена кроватка в вашей спальне — будет она стоять вдоль родительской кровати или ее удобнее поставить изголовьем к родительской?» Или же кроватка будет стоять отдельно от родительской у стены и каким то другим образом. Но в этом случае для укачивания ребенка вам надо будет найти способ удобно расположиться рядом, или приобрести робо-няню которая без вашего участи я нежно укачает малыша.

В зависимости от того, как вы поставите кроватку рядом с родительской, вы уже сможете определить — какой маятник будет удобнее, так как детская кроватка должна качаться в направлении параллельном вашей кровати, потому что в противном случае она будет касаться вашей кровати или ее придется ставить на расстоянии, что может быть так же неудобным.

Если же вы не знаете, как у вас встанет кроватка и какой маятник вам наиболее подходит, выбирайте кроватку с универсальным маятником.

          Поперечная установка маятника                           Маятник установлен для продольного качания

Универсальный маятник не предполагает возможность раскачивания кроватки в любой момент — в любую сторону! При сборке вам надо определиться, как установить маятник на кроватку — вы должны выбрать или продольный, или поперечный вариант установки маятника.

Если во время эксплуатации вы поймете, что Вам необходим другое направление раскачивания кроватки, то универсальный маятник можно переставить. Именно в этом и заключается его универсальность! Это не трудно сделать большинству мужчин, достаточно снова прочитать инструкцию по сборке кроватки и потратить полчаса.

У нас в ассортименте (детские магазины “Piccolo”), есть кроватки со всеми видами маятников: с продольным, поперечным, универсальным качанием, маятники с ящиками и маятники без ящиков.

Но если вы решили приобрести кроватку с маятником — обязательно необходимо рассмотреть вариант приобретения механизма автоматического укачивания «Робо-Няню», который может включаться — как от голоса младенца, так и от легкого толчка кроватки рукой! Маятник будет качать малыша 15 минут — этого вполне достаточно чтобы он крепко уснул.

                                       Кроватка с «Робо-Няней»

Если вы затрудняетесь с выбором маятника, или с вариантом модели кроватки, не можете определиться какие опции вам необходимы — спрашивайте, мы подскажем.

Нам можно звонить по тел. 8 (812) 509 60 40

или на нашем сайте piccolo-detki.ru — пишите нам через форму обратной связи

или задавайте нам вопросы в нашей группе vk.com/krovatkispb

Кроватки “Piccolo” хороши тем, что приобретая простую версию, вы всегда, в любой момент эксплуатации, сможете ее доукомплектовать необходимыми элементами. Например, купить кроватку без маятника, или без ящика, а потом, при необходимости купить подвесной ящик или маятник с ящиком или просто маятниковый механизм.

Все цены на сайте piccolo-detki.ru

Маятник Фуко — Новости про недвижимость, строительство, инвестиции

Маятник Фуко – что это и с чем его едят?

За проведение опыта с маятником Жан Фуко был удостоен Ордена Почетного легиона – высшей награды Франции.

Он получил свое название от фамилии французского физика-астронома и используется для экспериментальной демонстрации суточного вращения Земли. Впервые эксперимент с маятником был проведен Жаном Фуко в подвале дома ночью, в январе 1851 года. К вершине свода погреба он прикрепил двухметровую проволоку из закаленной стали и подвесил на ней 5-килограммовый латунный шар. Отведя шар в сторону, зафиксировав его с помощью нити возле одной из стен, Фуко пережег нить, предоставив маятнику возможность свободно качаться. И уже через полчаса он стал свидетелем вращения Земли. На следующем этапе своего эксперимента ученый взял груз уже весом 28 кг и подвесил его к вершине купола на проволоке длиной 67 м. На конце груза Жан Фуко закрепил металлическое острие. Маятник совершал колебания над круглым ограждением, по краю которого был насыпан песок. При каждом качании маятника острый стержень, закрепленный снизу груза, сбрасывал песок приблизительно в 3 мм от предыдущего места. Через пару часов стало видно, что плоскость качания маятника поворачивается по часовой стрелке относительно пола. За час плоскость колебаний повернулась более чем на 11 градусов, а примерно за 32 часа совершила полный оборот и вернулась в прежнее положение. Фуко таким образом доказал, что если бы поверхность Земли не вращалась, маятник не показывал бы изменения плоскости колебаний. После того как эксперимент был повторен в узком кругу лиц, будущий французский император Наполеон III предложил Фуко повторить эксперимент публично под куполом Пантеона в Париже.

География маятников

На плоскость вращения маятника влияет географическая широта места, где он установлен. Если, к примеру, его поставить на Северном или Южном полюсе, то он будет делать оборот за 24 часа. А маятник, установленный на экваторе, вообще не будет вращаться. Еще один фактор – длина подвеса. Длинные маятники вращаются быстрее.

После эксперимента французского астронома маятник Фуко стали использовать по всему миру. Существующие приборы сконструированы по одному и тому же принципу и различаются между собой разве что техническими параметрам да дизайном площадок, на которых установлены.

С 1931 до 1986 года маятник Фуко длиной 98 м можно было увидеть в Исаакиевском соборе в Санкт-Петербурге. Во время проведения экскурсии посетители могли наблюдать за экспериментом: плоскость вращения подвешенного под куполом маятника поворачивалась, и стержень сбивал спичечный коробок на полу поодаль от плоскости вращения. В 1986 году маятник сняли и убрали в подвал Исаакиевского собора в связи с неисправностью подвесного механизма. На крюк под куполом поместили голубя – изначального обитателя этого места. 30 лет маятник Фуко находился в хранилище, но в прошлом году его достали вновь. Ко Дню космонавтики была запланирована единственная демонстрация его работы, а потом он стал частью музейной экспозиции. Директор ГМП «Исаакиевский собор» Николай Буров предлагал властям города показывать маятник на площади перед собором, но эта инициатива не нашла поддержки. Кстати, маятник, висевший в Исаакиевском соборе, был самым большим в мире. Длина его нити – 98 м, а весит бронзовый маятник 54 кг.

Сегодня в нашей стране на действующий маятник Фуко, кроме новосибирского планетария, можно просмотреть также в московском планетарии (здесь находится маятник с длиной нити 16 м и массой шара 50 кг), Сибирском федеральном университете (длина нити – 20 м). Прямо сейчас качаются маятники в Санкт-Петербургском (длина нити – 8 м) и Волгоградском (массой 12 кг и длиной нити 8,5 м) планетариях, а также в атриуме седьмого этажа Фундаментальной библиотеки МГУ, в Приволжском федеральном университете в Казани. Еще один маятник Фуко находится в Барнауле в АлтГТУ им. И.И. Ползунова на кафедре экспериментальной физики. Длина его нити составляет 5,5 м.

В Беларуси маятники Фуко установлены в Белорусском государственном педагогическом университете им. Максима Танка (длина нити – 7,5 м) и на мемориальном комплексе «Буйничское поле» в городе Могилеве. Действующий маятник в настоящее время есть в Техническом университете Молдовы.

Самый большой в СНГ и один из самых крупных маятников Фуко в Европе установлен в Киевском политехническом институте. Шар из бронзы весит 43 кг, а длина нити составляет 22 м.

Всего в мире моделей маятников Фуко около 20, в том числе в США, Франции, Румынии, Австралии, Кувейте и других странах. Гигантские маятники такого рода сегодня являются обычными экспонатами в некоторых крупных музеях, включая Смитсоновский музей в Вашингтоне и Музей науки в Лондоне. Есть свой маятник и в штаб-квартире Организации объединенных наций в Нью-Йорке, а самый высокий из действующих маятников Фуко в мире размещен в Орегонском Конференц-центре, длина его нити – 27,4 м.

Повторить опыт астронома в домашних условиях – реально

Редакция журнала «Всё о новостройках» изучила способы изготовления маятника Фуко в домашних условиях. Приведенные варианты могут пригодиться, к примеру, для наглядной демонстрации детям суточного вращения Земли.

Вариант 1. Привяжите к карандашу нитку с небольшим круглым грузом, например, с гайкой. Положите на стол линейку и, держа карандаш горизонтально, подтолкните маятник, чтобы он качался вдоль линейки. Далее нужно постепенно поворачивать карандаш в горизонтальной плоскости. Поворот карандаша не повлияет на маятник, он будет по-прежнему качаться вдоль линейки. Во время этого опыта не должно быть ветра, сквозняка, которые могли бы оказать влияние на маятник.

Вариант 2. Можно перевернуть вверх ногами табурет и укрепить на концах двух его ножек, по диагонали, какую-либо деревянную палку или металлическую трубку, ровно по середине данной конструкции необходимо привязать маятник. Заставьте его двигаться так, чтобы плоскость его качания проходила между ножек табурета. Медленно поворачивайте табурет вокруг его вертикальной оси. Теперь маятник качается уже в другом направлении. На самом деле он качается все так же, а изменение произошло из-за поворота самого табурета, который в данном опыте играет роль планеты Земля.

Вариант 3. Возьмите деревянную доску длиной 50–60 см, шириной 12–15 см и толщиной 2–3 сантиметра. Укрепите на ней П-образную подставку из узких деревянных реек. Высота подставки должна быть около 30–40 см. В середине верхней перекладины просверлите вертикальное отверстие и вставьте в него кусочек проволоки, загнув верхний конец, чтобы он держался в отверстии. Нижний конец проволочки согните крючком, на нем будет подвешен маятник. Этот крючок должен свободно вращаться в своем гнезде. На тонком шнурке подвесьте к крючку какой-нибудь тяжелый груз (большую гайку или шарик от подшипника, завернув его в ткань). Раскачайте маятник так, чтобы его размах не превышал длины подставки. Поворачивая подставку вокруг ее вертикальной оси против часовой стрелки, вы тем самым повторите в миниатюре вращение Земли с запада на восток. Таким образом, модель Земли поворачивается, а маятник продолжает колебаться в той плоскости, в которой он был запущен.

Виртуальная экскурсия по Центральным учреждениям Организации Объединенных Наций

Виртуальная экскурсия по Центральным учреждениям Организации Объединенных Наций

Центральные учреждения

Добро пожаловать в Организацию Объединенных Наций! Центральные учреждения этой всемирной организации расположены на участке площадью 18 акров в восточной части Манхэттена. Это международная зона, принадлежащая всем государствам-членам. Организация Объединенных Наций имеет собственную службу безопасности, пожарную часть и почту. Посетители со всего мира любят посылать домой открытки с марками Организации Объединенных Наций — почту с такими марками можно отправлять только из комплекса Организации Объединенных Наций.  Комплекс Центральных учреждений состоит из четырех основных зданий: здания Генеральной Ассамблеи, конференционного здания, 39-этажного здания Секретариата и здания Библиотеки им. Дага Хаммаршельда, которое было пристроено в 1961 году. Комплекс был спроектирован международной группой из 11 архитекторов во главе с Уоллесом К. Харрисоном, США.

Флаги

Вдоль Первой авеню реют флаги государств-членов. Флаги расположены в английском алфавитном порядке: первый флаг — Афганистана — находится на уровне 48-й улицы, последний — Зимбабве — у 42-й улицы. 

Генеральная Ассамблея

Зал Генеральной Ассамблеи — самое большое помещение в Организации Объединенных Наций, вмещающее свыше 1800 человек. Зал проектировался совместными усилиями группы из 11 архитекторов, занимавшихся проектировкой Центральных учреждений, и, чтобы подчеркнуть международный характер этого зала, в нем не выставлено ни одного дара от государств-членов. Единственный дар в зале Генеральной Ассамблеи является анонимным: два абстрактных панно по обеим сторонам зала — выполненные по эскизам французского художника Фернана Леже — были переданы не пожелавшим назвать себя жертвователем через Американскую ассоциацию содействия Организации Объединенных Наций. Генеральная Ассамблея — единственный зал заседаний в Организации Объединенных Наций, где имеется эмблема Организации. Она представляет собой карту мира, окруженную оливковыми ветвями — символом мира, в центре которой находится Северный полюс.

Генеральная Ассамблея является центральным органом Организации Объединенных Наций. Здесь могут собираться все государства-члены для обсуждения насущных проблем современности, большинство из которых затрагивают многие страны и континенты, и поэтому для их разрешения необходимо международное сотрудничество. Генеральная Ассамблея не является всемирным правительством — ее резолюции не имеют обязательной силы для государств-членов. Тем не менее в своих рекомендациях она может концентрировать внимание мировой общественности на важных вопросах, способствовать налаживанию международного сотрудничества, а в некоторых случаях ее решения могут приводить к заключению юридически обязательных договоров и конвенций.

Совет Безопасности

Зал Совета Безопасности представляет собой дар Норвегии — он был спроектирован норвежским архитектором Аренстейном Арненбергом. В зале Совета прежде всего привлекает к себе внимание панно (холст, масло) работы норвежского художника Пера Крога. На нем изображена птица Феникс, восстающая из пепла, — символ мира, восстанавливаемого после второй мировой войны. Темные зловещие тона в нижней части панно сменяются фигурами, выполненными в ярких тонах, которые символизируют надежду на лучшее будущее. Идею равенства передает группа людей, взвешивающих зерно, которое будет раздаваться всем.  На вышитых голубыми и золотыми шелковыми нитями гобеленах на стенах и шторах на окнах, выходящих на Ист-Ривер, изображены якорь — символ веры, зреющие колосья — символ надежды и сердце — символ милосердия.  Согласно Уставу, Совет Безопасности несет главную ответственность за поддержание международного мира и безопасности. Как своеобразная «служба скорой помощи» Организации Объединенных Наций, он должен быть готов собраться в любое время при возникновении угрозы миру.

27 марта 2013 года в штаб-квартире Организации Объединенных Наций в Нью-Йорке состоялось торжественное открытие «Русской комнаты» — оформленного по проекту и за счет средств Российской Федерации Зала консультаций Совета Безопасности ООН. Подробнее>>>

Экономический и Социальный Совет

Зал Экономического и Социального Совета представляет собой дар Швеции. Он был спроектирован шведским архитектором Свеном Маркелиусом, одним из 11 архитекторов в составе международной группы, занимавшейся проектировкой Центральных учреждений Организации Объединенных Наций. Для отделки холла для делегатов, а также для изготовления поручней и дверей использовалась шведская сосна.  Особое внимание в зале привлекают трубы и вентиляционные отверстия, виднеющиеся в потолке над галереей для посетителей. По замыслу архитектора, все конструктивные элементы, имеющие то или иное назначение, должны были остаться открытыми. «Недостроенный» потолок обычно воспринимают как символическое напоминание о том, что работа Организации Объединенных Наций в экономической и социальной областях никогда не прекращается: всегда найдется еще что-то, что можно сделать для улучшения условий жизни населения Земли.  Основатели Организации Объединенных Наций признали, что залогом обеспечения мира на планете является экономическое и социальное развитие и международное сотрудничество. Согласно Уставу, Экономический и Социальный Совет призван создавать условия для экономического и социального прогресса и способствовать всеобщему уважению прав человека. Совет координирует работу системы Организации Объединенных Наций, в которую входят свыше 30 программ и специализированных учреждений.

Совет по Опеке

Зал Совета по Опеке представляет собой дар Дании Организации Объединенных Наций. Он был спроектирован датским архитектором Финном Юлем, и все детали внутренней отделки были привезены из Дании. Стены облицованы панелями из ясеня для улучшения акустики зала.  Большая деревянная статуя в зале Совета по Опеке работы датского скульптора Хенрика Старке представляет собой дар Дании, преподнесенный Организации Объединенных Наций в июне 1953 года. Вырезанная из ствола тикового дерева фигура женщины, выпускающей птицу из раскрытых рук, знаменует собой «свободный полет вверх, к новым высотам». Применительно к Совету по Опеке эта статуя может символизировать колонии, добивающиеся независимости.  Совет по Опеке — главный орган, которому было поручено наблюдать за управлением 11 подопечными территориями до тех пор, пока они не добьются самоопределения. Выполнив эту задачу, Совет в 1994 году принял решение приостановить свою работу и собираться только по мере необходимости. 

Библиотека имени Дага Хаммаршельда

Библиотека им. Дага Хаммаршельда названа в честь Генерального секретаря ООН, погибшего 16 ноября 1961 года. Здание библиотеки — дар Фонда Форда — примыкает к Секретариату в юго-западной части комплекса Центральных учреждений. 

Библиотека им. Дага Хаммаршельда обслуживает главным образом персонал Секретариата, делегации при Организации Объединенных Наций, сотрудников постоянных представительств и других официальных пользователей. 

Маятник Фуко

Одним из главных экспонатов в вестибюле Генеральной Ассамблеи является маятник Фуко, преподнесенный в дар Организации Объединенных Наций Нидерландами в 1955 году. Маятник Фуко, названный по имени французского физика Жана Бернара Леона Фуко, служит наглядным доказательством вращения Земли. 

Он представляет собой позолоченную сферу, частично заполненную металлической медью, которая подвешена к потолку на высоте 75 футов на проволоке из нержавеющей стали. Карданный шарнир позволяет сфере свободно качаться в любом направлении. Установленный под маятником электромагнит компенсирует трение о воздух, обеспечивая равномерное движение маятника. Посетители могут видеть, как направление качания маятника меняется в течение дня по причине вращения Земли. Полный цикл сфера совершает за 36 часов 45 минут.  С помощью математических расчетов установлено, что период обращения варьируется в зависимости от географической широты пункта земной поверхности, в котором находится маятник. На Северном полюсе, географическая широта которого равна 90 градусам, где маятник будет находиться непосредственно над земной осью, период полного поворота составит 24 часа. На Экваторе, широта которого составляет 0 градусов, плоскость качаний маятника не будет вращаться вообще. На всех других широтах эффект Фуко проявляется в различной степени, при этом его действие становится более наглядным по мере приближения к полюсам.  

Витраж Марка Шагала

В восточной части вестибюля для посетителей можно видеть цветной витраж, созданный по эскизу французского художника Марка Шагала. Он представляет собой дар сотрудников Организации Объединенных Наций, а также самого Марка Шагала, преподнесенный в 1964 году в память о Даге Хаммаршельде, втором Генеральном секретаре Организации Объединенных Наций, и о каждом из 15 человек, погибших вместе с ним в авиакатастрофе в 1961 году.  На мемориальном витраже, шириной примерно 15 футов и высотой 12 футов, изображен ряд символов мира и любви, таких, как ребенок в центре, которого целует появляющееся из цветов ангельское лицо. Слева, внизу и вверху изображены мать с ребенком и люди, борющиеся за мир. Музыкальная символика витража рождает ассоциации с Девятой симфонией Бетховена, любимым музыкальным произведением г-на Хаммаршельда. 

Мозаика Нормана Рокуэлла

>Это мозаичное панно было преподнесено Организации Объединенных Наций по случаю сороковой годовщины Организации в 1985 году г-жой Нэнси Рейган, тогдашней «первой леди», от имени Соединенных Штатов. 

Мозаика выполнена на основе картины американского художника Нормана Рокуэлла «Golden Rule» («Золотое правило»). Рокуэлл хотел показать, что «золотое правило» проходит красной нитью через все основные религии мира, и изобразил людей всех рас, вероисповеданий и цвета кожи, преисполненных достоинства и уважения. Надпись на панно гласит «Do unto Others as You Would Have Them Do unto You» («И как хотите, чтобы с вами поступали люди, так и вы поступайте с ними»). Панно было изготовлено венецианскими мастерами мозаичной живописи. 

Китайская скульптура из слоновой кости

Эта скульптура из слоновой кости представляет собой дар Китая, преподнесенный Организации Объединенных Наций в 1974 году. На ней изображен участок железной дороги Чэнду — Куньмин протяженностью свыше 1000 километров, открытой для движения поездов в 1970 году. Эта железная дорога связывает две провинции Китая — Юньнань на юге и Сычуань на севере. Скульптура вырезана из восьми слоновьих бивней, и, как говорят, над ее созданием трудились 98 мастеров на протяжении более чем двух лет. Поражает тонкость работы — можно видеть даже маленькие резные фигурки людей внутри поезда. 

Японский «Колокол мира»

Японский «Колокол мира» был преподнесен Организации Объединенных Наций в июне 1954 года Японской ассоциацией содействия ООН. Он был отлит из монет, собранных детьми из 60 стран мира, и укреплен под сводом типично японского сооружения из кипарисового дерева, напоминающего синтоистский храм.  В колокол принято звонить два раза в год: в первый день весны — день весеннего равноденствия — и 21 сентября, в Международный день мира. В 1994 году сороковая годовщина японского колокола была отмечена особой церемонией. По этому случаю Генеральный секретарь Бутрос Бутрос-Гали заявил: «Японский «Колокол мира», всякий раз когда в него звонят, посылает ясный сигнал. Это сигнал для всего человечества. Мир — это большая ценность. Мало мечтать о мире: достижение мира требует труда — долгого, упорного, тяжелого труда». 

Скульптура «Перекуем мечи на орала»

Сад Организации Объединенных Наций украшен рядом скульптур и статуй, которые были преподнесены в дар разными странами. Одна из них называется «Перекуем мечи на орала» и представляет собой дар Советского Союза, преподнесенный в 1959 году (скульптор Евгений Вучетич). Она представляет собой бронзовую фигуру человека с молотом в одной руке и с мечом в другой. Меч перековывается на плуг, что символизирует стремление людей положить конец войне и преобразовать средства разрушения в орудия созидательного труда на благо всего человечества. 

Простой маятник | Физика

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

  • Измерьте ускорение свободного падения.

Рисунок 1.

На рисунке 1 мы видим, что простой маятник имеет боб малого диаметра и струну, которая имеет очень небольшую массу, но достаточно прочна, чтобы не растягиваться заметно. Линейное смещение от положения равновесия составляет с , длина дуги. Также показаны силы на опоре, которые приводят к результирующей силе — мг sin θ по направлению к положению равновесия, то есть восстанавливающей силе.

Маятники широко используются. Некоторые из них имеют решающее применение, например, в часах; некоторые для развлечения, например, детские качели; а некоторые просто есть, например грузило на леске. При малых перемещениях маятник представляет собой простой гармонический осциллятор. Простой маятник определяется как объект с небольшой массой, также известный как маятник, который подвешен на легком проводе или веревке, как показано на рисунке 1. Изучая простой маятник немного подробнее, мы может обнаружить условия, при которых он совершает простое гармоническое движение, и мы можем получить интересное выражение для его периода.

Начнем с определения смещения как длины дуги s . Из рисунка 1 видно, что результирующая сила на бобе касается дуги и равна — мг sin θ . (Гиря мг имеет компоненты мг cos θ вдоль струны и мг sin θ по касательной к дуге.) Натяжение в струне точно нейтрализует составляющую мг cos θ , параллельную дуге. нить. При этом восстанавливающая сила нетто возвращается к положению равновесия при θ = 0.

Теперь, если мы сможем показать, что восстанавливающая сила прямо пропорциональна смещению, то мы получим простой гармонический осциллятор. Пытаясь определить, есть ли у нас простой гармонический осциллятор, мы должны отметить, что для малых углов (менее примерно 15º) sin θ θ (sin θ и θ отличаются примерно на 1% или меньше). под меньшими углами). Таким образом, для углов менее примерно 15 ° восстанавливающая сила F составляет

.

F ≈ — мг θ .

Смещение с прямо пропорционально θ . Когда θ выражается в радианах, длина дуги в окружности связана с ее радиусом ( L в данном случае) как s = L θ , так что

[латекс] \ theta = \ frac {s} {L} \\ [/ latex].

Таким образом, для малых углов восстанавливающая сила имеет следующий вид:

[латекс] F \ ок- \ frac {mg} {L} s \\ [/ латекс].

Это выражение имеет вид: F = — kx , где силовая постоянная определяется как [латекс] k = \ frac {mg} {L} \\ [/ latex], а смещение задается как x = с . Для углов менее примерно 15 ° восстанавливающая сила прямо пропорциональна смещению, и простой маятник представляет собой простой гармонический осциллятор.

Используя это уравнение, мы можем найти период маятника для амплитуд менее примерно 15º. Для простого маятника:

[латекс] \ displaystyle {T} = 2 \ pi \ sqrt {\ frac {m} {k}} = 2 \ pi \ sqrt {\ frac {m} {\ frac {mg} {L}}} \\ [/ латекс]

Таким образом, [латекс] T = 2 \ pi \ sqrt {\ frac {L} {g}} \\ [/ latex] для периода простого маятника.Этот результат интересен своей простотой. Единственное, что влияет на период простого маятника, — это его длина и ускорение свободного падения. Период полностью не зависит от других факторов, таких как масса. Как и в случае простых гармонических осцилляторов, период T для маятника почти не зависит от амплитуды, особенно если θ меньше примерно 15º. Даже простые маятниковые часы могут быть точно настроены и точны.

Обратите внимание на зависимость T от g .Если длина маятника точно известна, ее можно использовать для измерения ускорения свободного падения. Рассмотрим пример 1.

Пример 1. Измерение ускорения свободного падения: период маятника

Каково ускорение свободного падения в области, где простой маятник длиной 75 000 см имеет период 1,7357 с?

Стратегия

Нам предлагается найти g с учетом периода T и длины L маятника.{2}} \\ [/ латекс].

Посчитайте, чтобы найти г :

г = 9,8281 м / с 2 .

Обсуждение

Этот метод определения г может быть очень точным. Вот почему в этом примере длина и период представлены пятью цифрами. Чтобы точность аппроксимации sin θ θ была лучше, чем точность длины и периода маятника, максимальный угол смещения должен быть ниже примерно 0.5º.

Установление связей с карьерой

Знание г может быть важным при геологоразведке; Например, карта g над большими географическими регионами помогает изучать тектонику плит и помогает в поисках нефтяных месторождений и крупных залежей полезных ископаемых.

Эксперимент на дом: определение

г

Используйте простой маятник для определения ускорения свободного падения. g в вашем регионе. Отрежьте кусок веревки или зубной нити так, чтобы он был длиной около 1 м.Прикрепите к концу веревки небольшой предмет высокой плотности (например, металлическую гайку или ключ от машины). Начиная с угла менее 10º, позвольте маятнику качаться и измерьте период маятника для 10 колебаний с помощью секундомера. Вычислите г . Насколько точно это измерение? Как это можно улучшить?

Проверьте свое понимание

Инженер строит два простых маятника. Оба подвешены на небольших проводах, прикрепленных к потолку комнаты. Каждый маятник парит на высоте 2 см над полом.Маятник 1 имеет боб массой 10 кг. Маятник 2 имеет боб массой 100 кг. Опишите, чем будет отличаться движение маятника, если оба боба будут смещены на 12º.

Решение

Движение маятника не будет отличаться, потому что масса боба не влияет на движение простого маятника. На маятник влияет только период (который связан с длиной маятника) и ускорение свободного падения.

Исследования PhET: маятниковая лаборатория

Поиграйте с одним или двумя маятниками и узнайте, как период простого маятника зависит от длины струны, массы качания маятника и амплитуды качания.Период легко измерить с помощью таймера фотозатвора. Вы можете варьировать трение и силу тяжести. Используйте маятник, чтобы найти значение g на планете X. Обратите внимание на ангармоническое поведение при большой амплитуде.

Щелкните, чтобы запустить моделирование.

Сводка раздела

  • Масса м , подвешенная на тросе длиной L , представляет собой простой маятник и совершает простое гармоническое движение с амплитудами менее примерно 15º.
  • Период простого маятника равен [латексу] T = 2 \ pi \ sqrt {\ frac {L} {g}} \\ [/ latex], где L — длина струны, а g — . ускорение свободного падения.

Концептуальные вопросы

  1. Маятниковые часы работают с правильной скоростью за счет регулировки длины маятника. Предположим, вы перемещаетесь из одного города в другой, где ускорение свободного падения немного больше, беря с собой маятниковые часы, придется ли вам удлинить или укорачивать маятник, чтобы поддерживать правильное время, при этом другие факторы остаются постоянными? Поясните свой ответ.

Задачи и упражнения

Как обычно, ускорение свободного падения в этих задачах принимается равным g = 9.80 м / с 2 , если не указано иное.

  1. Какова длина маятника с периодом 0,500 с?
  2. Некоторые люди думают, что маятник с периодом 1,00 с может приводиться в движение «умственной энергией» или психокинетически, потому что его период такой же, как и среднее сердцебиение. Верно или нет, но какова длина такого маятника?
  3. Какой период у маятника длиной 1,00 м?
  4. Сколько времени нужно ребенку на качелях, чтобы сделать одно качание, если его центр тяжести равен 4?00 м ниже оси?
  5. Маятник на часах с кукушкой имеет длину 5,00 см. Какая у него частота?
  6. Два попугая сидят на качелях, их общий центр масс находится на 10,0 см ниже оси. С какой частотой качаются?
  7. (a) Маятник с периодом 3,00000 с и расположенный там, где ускорение свободного падения составляет 9,79 м / с 2 перемещается в место, где ускорение свободного падения составляет 9,82 м / с 2 . Какой у него новый период? (b) Объясните, почему необходимо так много цифр в значении периода, основываясь на соотношении между периодом и ускорением свободного падения.
  8. Маятник с периодом 2,00000 с в одном месте ( g = 9,80 м / с 2 ) перемещается в новое место, где период теперь составляет 1,99796 с. Какое ускорение свободного падения обусловлено его новым местоположением?
  9. (а) Как повлияет на период маятника, если вы удвоите его длину? (б) Как повлияет на период маятника, если вы уменьшите его длину на 5,00%?
  10. Найдите отношение нового / старого периодов маятника, если бы маятник был перенесен с Земли на Луну, где ускорение свободного падения равно 1.63 м / с 2 .
  11. С какой скоростью будут работать маятниковые часы на Луне, где ускорение свободного падения составляет 1,63 м / с 2 , если они показывают точное время на Земле? То есть найдите время (в часах), за которое часовая стрелка часов совершает один оборот на Луне.
  12. Предположим, что длина маятника часов изменилась на 1.000% ровно в полдень одного дня. В какое время он покажет через 24 часа, если маятник показал точное время до изменения? Обратите внимание, что есть два ответа, и выполните расчет с точностью до четырех цифр.
  13. Если часы с маятниковым приводом показывают скорость 5,00 с / день, какое дробное изменение длины маятника необходимо сделать, чтобы часы оставались точным?

Глоссарий

простой маятник: объект с небольшой массой, подвешенный на легкой проволоке или веревке

Избранные решения проблем и упражнения

1. 6.21 см

3. 2.01 с

5. 2,23 Гц

7. (а) 2.99541 с; (b) Поскольку период связан с квадратным корнем из ускорения свободного падения, при изменении ускорения на 1% период изменяется на (0.01) 2 = 0,01%, поэтому необходимо иметь не менее 4 цифр после десятичной дроби, чтобы увидеть изменения.

9. (a) Период увеличивается в 1,41 раза [латекс] \ left (\ sqrt {2} \ right) \\ [/ latex]; (b) Период уменьшается до 97,5% от старого периода

.

11. Замедление в 2,45 раза

13. длина должна увеличиться на 0,0116%

Определение маятника по Merriam-Webster

pen · du · lum | \ ˈPen-jə-ləm , ˈPen-dyə-, -də- \

1 : тело, подвешенное к фиксированной точке, чтобы свободно качаться взад и вперед под действием силы тяжести и обычно используемое для регулирования движений (как в часовом механизме).

2 : нечто (например, положение дел), чередующееся между противоположностями не нужно много времени, чтобы повернуть маятник мнений в другую сторону

Маятник Фуко | Смитсоновский институт

Маятник Фуко, который много лет демонстрировался в Смитсоновском Национальном музее американской истории, был удален в конце 1998 года, чтобы освободить место для проекта сохранения звездного флага, и в настоящее время нет планов по его повторной установке.

Маятник Фуко назван в честь французского физика Жана Фуко (произносится «Фуко»), который впервые использовал его в 1851 году для демонстрации вращения Земли. Это была первая удовлетворительная демонстрация вращения Земли с использованием лабораторных приборов, а не астрономических. наблюдения.

Если вы начнете качаться маятником Фуко в одном направлении, через несколько часов вы заметите, что он качается в совершенно другом направлении. Как это произошло?

Представьте, что вы находитесь в музее, расположенном на северном полюсе, и что в музее есть маятник Фуко, подвешенный к потолку в точке точно над полюсом.Когда вы устанавливаете качание маятника, он будет продолжать качаться в том же направлении, если его не толкать или не тянуть в каком-либо другом направлении. (Это происходит из-за основного закона природы, называемого Первым законом Ньютона.) Земля, с другой стороны, будет вращаться под маятником каждые 24 часа. Таким образом, если вы постояли и наблюдали за маятником, примерно через четверть часа вы, вероятно, заметили бы, что линия качания маятника изменилась в другом направлении. Это было бы особенно ясно, если бы обозначить положение линии качания утром и расположить маятник, сбивающий колышки, кольцом в центре.

Однако, если вы стоите на полу здания, в котором находится маятник (который связан с землей), вы, естественно, думаете, что пол устойчив и маятник движется. Это потому, что мы, естественно, предполагаем, что основа, на которой мы стоим, стабильна, если только наши глаза или чувство равновесия не говорят нам об обратном. Если наша база движется медленно или плавно ускоряется, нас легко обмануть, думая, что другой объект, который мы видим, движется. Вы, вероятно, испытали это в автомобиле, поезде или самолете, который начинает двигаться очень медленно и плавно, и на долю секунды вам кажется, что ближайший автомобиль, поезд или даже здание, кажется, движется.Таким образом, подумав некоторое время об общей ситуации, вы можете согласиться с тем, что то, что вы видите, является реальной демонстрацией того, что Земля вращается под маятником и что линия качания маятника просто кажется вращающейся.

На северном полюсе видимое вращение будет представлять собой полный круг на 360 градусов каждые 24 часа, или около 15 градусов в час. Этот случай довольно простой, потому что здесь земля и маятник не оказывают большого влияния друг на друга.Когда вы перемещаетесь от северного полюса к более южной точке, такой как, например, Вашингтон, Земля не только вращается под маятником, но и несет Вашингтон, здание и маятник по большому кругу вокруг своей оси. То есть движение Земли теперь сложным образом смешано с движением маятника. Как вы можете убедиться, понаблюдав за маятником некоторое время, это замедлит кажущееся вращение качелей. Вместо того, чтобы казаться вращающимся на 15 градусов (примерно 1/24 полного круга) за один час, он изменяется только примерно на 9 градусов (примерно 1/40 полного круга).Чем дальше на юг, тем медленнее становится кажущееся вращение, а на экваторе вращения вообще нет. Ниже экватора кажущееся вращение начинается снова, но в противоположном направлении.

Любой маятник состоит из троса, проволоки или веревки и боба. Чтобы маятник легко демонстрировал эффект Фуко, он должен иметь как можно более длинный кабель (этот — 52 фута) и тяжелый симметричный качающийся боб (этот полый латунный, весит около 240 фунтов). Как и все маятники, этот маятник теряет немного энергии при каждом качании из-за трения от воздушных потоков, вибраций в кабеле и других факторов.Таким образом, предоставленный самому себе маятник будет качаться все более и более короткими дугами, пока через несколько часов он не уменьшится почти до нуля. Чтобы маятник Фуко продолжал движение, нужно восполнять энергию, теряемую при каждом качании. Это можно сделать, слегка «толкая» маятник при каждом взмахе.

Для этого к тросу в верхней части прикрепляют два стальных хомута. В потолок встроен электромагнит в форме пончика, а железный воротник раскачивается взад и вперед внутри отверстия для пончика.Когда маятниковый трос достигает определенной точки в своем движении, это обнаруживается электронным устройством, и магнит включается как раз в нужное время, чтобы дать воротнику (и, следовательно, тросу и бобу) небольшой «толчок» в движении. точное направление его естественного колебания. Это восстанавливает энергию, потерянную во время качания, и предотвращает остановку маятника. Он не влияет на направление качания и, следовательно, не мешает демонстрации вращения Земли.

Некоторые люди построили свои собственные маятники; вам не нужен потолок высотой 50 футов.Если вы заинтересованы в создании своего собственного, вы можете пойти в свою библиотеку и прочитать две статьи из журнала Scientific American: страницы 115–124 июньского выпуска 1958 года и страницы 136–139 февральского выпуска 1964 года. Вы также можете связаться с Калифорнийской академией наук в Сан-Франциско, штат Калифорния. Полное описание маятника Фуко, того, как он работает и как его построить, можно найти на веб-сайте Академии. Перейдите по адресу: http://www.calacademy.org/products/pendulum/

.


Смитсоновский институт
202.633.1000 (голос)
электронная почта: [email protected]

Изучение маятников — Science NetLinks

Бен Островский, Маятник Фуко, CC-BY-2.0 через Wikimedia Commons

Назначение

Для понимания взаимосвязи между гравитационными силами и массой объектов, изменениями скорости и направления объектов, а также расстоянием между объектами.


Контекст

Этот урок помогает учащимся понять концепции, связанные с действием гравитационных сил на объекты, путем изучения движения маятников.

Все во вселенной оказывает гравитационное воздействие на все остальное, хотя эффекты легко заметны только тогда, когда задействована хотя бы одна очень большая масса (например, звезда или планета). Гравитация — это сила, стоящая за падением дождя, сила рек, пульсация приливов; он притягивает материю планет и звезд к их центрам, чтобы сформировать сферы, удерживает планеты на орбите и собирает космическую пыль, образуя звезды.

Считается, что гравитационные силы связаны с гравитационным полем, которое воздействует на пространство вокруг любой массы.Сила поля вокруг объекта пропорциональна его массе и уменьшается по мере удаления от его центра. Например, сила притяжения Земли на человека будет зависеть от того, находится ли человек, скажем, на пляже или далеко в космосе. Изображение космонавта, плывущего в космосе, иллюстрирует эту точку зрения.

Учащиеся уже должны знать, что гравитация Земли притягивает к себе любой объект, не касаясь его. ( Benchmarks for Science Literacy , p. 94.) Взаимосвязь между силой и движением теперь может быть развита более полно, и на трудную идею инерции можно обратить внимание.«У студентов нет проблем с верой в то, что объект в состоянии покоя остается таким, если на него не воздействует сила. Сложное представление состоит в том, что объект в движении будет продолжать двигаться, не ослабевая, если на него не действует сила». ( Benchmarks for Science Literacy , p. 90.) Студентам кажется, что вещи вокруг них замедляются сами по себе, если их постоянно не толкать или тянуть. Чем больше у учеников опыта в наблюдении за эффектом уменьшения трения, тем легче им будет представить себе случай равного нулю трения.

Галилео Галилей был одним из ученых, изучавших гравитационные силы. В конце 1500-х годов Галилей начал изучать поведение падающих тел, широко используя маятники в своих экспериментах для исследования характеристик движения. В то время практически все ученые все еще придерживались мнения Аристотеля о том, что скорость падения пропорциональна весу тела. Галилей показал ошибочность этого вывода на основании того факта, что сопротивление воздуха замедляло падение легких объектов.Галилей смог объединить наблюдение, эксперимент и теорию, чтобы доказать свою гипотезу.

С помощью легко проверяемых экспериментов или демонстраций можно показать, что период (качание) маятника не зависит от его массы. Вместо этого это зависит от длины маятника. Это предполагает, что объекты падают со скоростью, не зависящей от массы. Чем больше величина неуравновешенной силы, тем быстрее изменяется скорость или направление движения данного объекта; чем массивнее объект, тем менее быстро изменяется его скорость или направление в ответ на любую заданную силу.

На этом уроке учащиеся изучат веб-сайты с имитацией маятников, где они смогут изменять длину и угол наклона боба и наблюдать за его действием. Затем они построят и протестируют свои собственные системы управляемого падения или маятники для дальнейшего наблюдения и проверки этих теорий.

Подробнее

Мотивация

Задайте студентам следующие вопросы, чтобы получить представление об их текущих знаниях и восприятии маятников.Вам предоставлены ответы на эти вопросы, но пока не ожидайте и не ведите студентов к этим ответам. На этом этапе просто соберите и хорошо запишите текущие идеи студентов; У студентов будет возможность уточнить их после изучения веб-сайта, которое будет показано ниже.

Вопросы:

  • Как бы вы определили маятник?
    (Маятник в общих чертах определяется как что-то, свисающее с фиксированной точки, которое при оттягивании и отпускании может свободно качаться вниз под действием силы тяжести, а затем наружу и вверх из-за своей инерции или тенденции оставаться в движении.)
  • Как работает маятник? Какие части у маятника?
    (Простой маятник состоит из массы (называемой бобом), прикрепленной к концу тонкого шнура, который прикреплен к фиксированной точке. Когда масса тянется вверх и отпускается, сила тяжести ускоряет ее обратно до Исходное положение. Импульс, создаваемый ускорением свободного падения, заставляет массу затем качаться в противоположном направлении до высоты, равной исходному положению. Эта сила известна как инерция.)
  • Какой период у маятника?
    (Точка — это одно качание маятника вперед и назад.)
  • Какая частота у маятника?
    (Частота — это количество колебаний вперед и назад за определенный промежуток времени.)
  • Какие переменные влияют на скорость качания маятника?
    (Студенты могут придумать разные ответы, но на этом уроке они будут тестировать следующие четыре:
    • Длина маятника -Изменение длины маятника при сохранении постоянных других факторов изменяет длину периода маятника.Более длинные маятники колеблются с меньшей частотой, чем более короткие маятники, и, следовательно, имеют более длительный период.
    • Начальный угол маятника -Изменение начального угла маятника (насколько далеко вы его оттянете, чтобы запустить) имеет очень незначительное влияние на частоту.
    • Масса стержня на конце маятника -Изменение массы стержня маятника не влияет на частоту маятника.
    • Сила тяжести -Это ускоряет маятник вниз.Импульс, создаваемый ускорением свободного падения, заставляет массу качаться в противоположном направлении на высоту, равную исходному положению.)

Многие студенты считают, что изменение любой из переменных (длины струны, массы или места, где мы отпускаем маятник) изменит частоту маятника. Дайте им возможность обсудить и обсудить их ответы, прежде чем продолжить.

  • Где вы видите маятники в повседневной жизни? Чем они полезны?
    (Маятники можно найти в качелях, напольных часах, качелях бейсбольной биты и цирковой трапеции.Маятники полезны для хронометража, потому что изменение длины маятника может изменить частоту.)

После обсуждения предложите учащимся изучить следующие веб-сайты:

После того, как учащиеся изучили эти сайты, просмотрите вместе с ними их список ответов на начальные вопросы о маятниках, уточняя его с учетом текущей информации, основанной на изучении учащимися веб-сайтов. Когда вы просматриваете их ответы на вопрос: «Какие переменные влияют на скорость качания маятника?» не забудьте включить в обсуждение длину, массу, угол и силу тяжести маятника.

Подробнее

Развитие

Начните эту часть урока с того, что скажите студентам, что они будут изучать веб-сайты, чтобы узнать больше о том, как маятники помогают нам узнать о силах гравитации. Во второй части урока студенты будут работать в группах, чтобы построить свои собственные маятники и проверить то, что они наблюдали на веб-сайтах.

Попросите учащихся провести демонстрацию под названием «Маятниковая лаборатория». С помощью этой лабораторной работы студенты могут поиграть с одним или двумя маятниками и узнать, как период простого маятника зависит от длины струны, массы качания маятника и амплитуды качания.

Убедитесь, что они понимают, как проводить эксперимент, сообщив им следующее:

С помощью этой демонстрации вы можете наблюдать, как ведут себя один или два маятника, подвешенных на жестких струнах. Вы можете нажать на боб (объект на конце веревки) и перетащить маятник в исходное положение. Кроме того, вы можете настроить длину и массу маятника, отрегулировав элементы управления в зеленом поле в правой части страницы. Находясь в движении, вы можете приостановить маятник, нажав кнопку «пауза / воспроизведение».Маятник можно вернуть в новое исходное положение, нажав кнопку «Сброс». Вы также можете измерить период, выбрав опцию «таймер фотозатвора» в зеленом поле.

Отметьте, что программа измеряет период или одно колебание маятника вперед и назад.

Спросите студентов:

  • Как изменение длины боба влияет на период?
    (Чем короче длина боба, тем короче будет период.)
  • Как изменение начальной точки или угла влияет на период?
    (Чем меньше угол, тем короче будет период.)
  • Как получить самый короткий период?
    (Уменьшите длину и уменьшите угол.)
  • Как получить самый длительный период?
    (Увеличьте длину и увеличьте угол.)
  • Объясните, почему маятник продолжает двигаться, не останавливаясь и не замедляясь после того, как он приводится в движение.
    (Согласно закону инерции движущееся тело будет продолжать движение, если на него не действует сила.)

Студенты также могут запустить демонстрацию маятника под названием «Незатухающий и неприводимый маятник», которую можно найти на веб-сайте The Pendulum Lab.

Объясните учащимся особенности этой демонстрации:

В этой демонстрации вы можете изменять длину маятника и ускорение свободного падения, вводя числовые значения или перемещая ползунок. Кроме того, вы можете нажать на боб и перетащить маятник в исходное положение. Эта демонстрация позволяет измерить период колебаний маятника.

Для участия в этой демонстрации учащиеся должны выполнить следующие шаги:

  1. Нажмите кнопку «Старт» секундомера как раз в тот момент, когда маятник проходит самую глубокую точку.
  2. Считайте «один», когда он снова пройдет через самую глубокую точку (идя с той же стороны).
  3. Повторяем счет до «десяти». В этот момент следует остановить секундомер. Разделив время на дисплее на десять, получим период колебаний.

Учащиеся также могут измерить частоту маятника или количество возвратно-поступательных движений, которые он совершает за определенный промежуток времени. Подсчитав количество возвратно-поступательных движений за 30 секунд, учащиеся могут напрямую измерить частоту.

Спросите студентов:

  • Что подразумевается под периодом колебаний?
    (Это способ измерения качания маятника вперед и назад.)
  • Как изменение длины боба влияет на период колебаний?
    (Чем больше длина боба, тем больше будет период колебаний.)
  • Что подразумевается под ускорением свободного падения? Всегда ли на Земле ускорение свободного падения одинаково?
    (Ускорение свободного падения — это сила тяжести, действующая на объект.Сила тяжести на Земле всегда будет одинаковой. Сила тяжести на других планетах будет отличаться от силы тяжести Земли.)
  • Как изменение ускорения свободного падения влияет на период колебаний?
    (Увеличение ускорения свободного падения увеличивает период колебаний.)
  • Как изменение начальной точки или угла влияет на период колебаний?
    (Увеличение угла увеличивает период колебаний.)
  • Что произойдет, если запустить маятник в перевернутом положении на 180 градусов?
    (Маятник не двигается.)

На этом этапе ученики должны понять, что гравитационные силы заставляют маятник двигаться. Они также должны понимать, что изменение длины боба или изменение начальной точки повлияет на расстояние падения маятника; и, следовательно, влияют на его период и частоту.


Построение маятника / Тестирование падения
Теперь, когда учащиеся имеют представление о переменных, которые влияют на период и частоту маятника, они могут создать свой собственный маятник для проверки этих концепций.

Раздайте каждому ученику экземпляр «Исследуя маятники», который включает прогнозы, материалы, процедуру, таблицу данных и вопросы для анализа.

Разделите учащихся на совместные группы по два или три человека для совместной работы над выполнением этого задания. Как указано, учащиеся сначала будут делать прогнозы, а затем строить и тестировать системы контролируемого падения или маятники, используя перечисленные материалы и следуя указаниям в рабочем листе.

Эта система контролируемого падения представляет собой груз (боб), подвешенный на веревке к фиксированной точке, так что он может свободно качаться под действием силы тяжести.Если боб толкается или тянется в сторону, он не может двигаться только горизонтально, а должен двигаться по окружности, радиус которой равен длине поддерживающей струны. Он должен двигаться как вверх, так и в сторону. Если сейчас отпустить боб, он упадет, потому что сила тяжести тянет его назад. Он не может упасть прямо вниз, но должен следовать по круговой траектории, определяемой его опорой. Это «управляемое падение»: путь всегда один и тот же, его можно воспроизводить раз за разом, а вариации настройки могут использоваться для проверки их влияния на поведение при падении.

Примечание. Убедитесь, что группы понимают, что, изменяя значение только одной переменной за раз (масса, начальный угол или длина), они могут определить влияние, которое она оказывает на скорость качания маятника. Кроме того, учащиеся должны быть уверены, что измерения со всеми переменными воспроизводимы, чтобы они были уверены в своем ответе и были убеждены в нем.

После того, как учащиеся завершат эксперименты, обсудите их первоначальные прогнозы в листе действий и сравните их с их выводами, основанными на данных и результатах тестов.

Студенты должны были прийти к следующим выводам:

  • Более тяжелые и легкие массы падают с одинаковой скоростью.
  • Увеличение угла или амплитуды увеличивает расстояние падения боба; и, следовательно, частота или количество колебаний вперед и назад в установленный период времени будет меньше.
  • Увеличение длины шнура, к которому прикреплен боб, увеличивает радиус круга, по которому движется боб; и, следовательно, частота или количество колебаний вперед и назад в установленный период времени будет меньше.

Старшие ученики, вероятно, должны узнать, как направленная вниз сила тяжести на боб разделяется на составляющую, касательную к окружности, по которой он движется, и составляющую, перпендикулярную касательной (совпадающую с линией, проведенной поддерживающей струной), и направленную в сторону. от поддержки. Тангенциальная сила перемещает боб по дуге, а перпендикулярная сила точно уравновешивается натянутой струной.

Теперь, основываясь на этих наблюдениях, определите, какие выводы студенты могут сделать о природе гравитации. (Студенты должны сделать вывод, что гравитационная сила, действующая на объект, изменяет его скорость или направление движения, или и то, и другое. Если сила действует в направлении одного центра, путь объекта может изгибаться по орбите вокруг центра.)

Подробнее

Оценка

Оцените понимание учащихся, предложив им изучить урок «Маятники на Луне», который можно найти на веб-сайте DiscoverySchool.com. Студенты должны щелкнуть ссылку «Лунный маятник в Интернете», которая находится в разделе урока «Процедура».Это упражнение имитирует гравитационную силу на Луне. Студенты должны экспериментировать в течение примерно 5-10 минут, изменяя массу, длину и угол, чтобы увидеть, как это влияет на маятник.

Попросите учащихся изменять только одну переменную за раз. Затем задайте студентам следующие вопросы:

  • Как получить самый быстрый замах?
    (Уменьшите длину струны и уменьшите угол.)
  • Как получить самый длинный свинг?
    (Увеличьте длину струны и увеличьте угол.)
  • Опишите своими словами взаимосвязь между массой, длиной струны и углом.
    (Масса не влияет на качание маятника. Чем длиннее струна, тем дальше маятник падает, и, следовательно, чем длиннее период или колебания маятника вперед и назад. Чем больше амплитуда или угол, тем больше чем дальше опускается маятник, а значит, и период.)
  • Как сила тяжести на Луне сравнивается с силой тяжести на Земле? Как вы думаете, какое влияние на маятник окажет разница в гравитационных силах?
    (Сила тяжести на Луне меньше, чем на Земле.Поскольку сила тяжести на Луне меньше, маятник будет вращаться медленнее при той же длине и угле, и его частота будет меньше.)

Добавочные номера

Создайте связанные резонансные маятники
Этот эксперимент демонстрирует, что два маятника, подвешенных на общей опоре, будут качаться вперед и назад в интригующих моделях, если опора позволяет движению одного маятника влиять на движение другого. Инструкции по проведению этого эксперимента можно найти на сайте Exploratorium.


Измерение времени спада
Когда Галилей изучал медицину в Пизанском университете, он заметил кое-что интересное в периодах маятника. Однажды в церкви он наблюдал, как люстра раскачивается взад и вперед, что казалось устойчивым узором качелей. Он рассчитал время каждого колебания и обнаружил, что каждый период имеет одинаковую продолжительность (одинаковое количество времени). В предыдущем упражнении ученики измеряли периоды своих маятников с помощью цифровых часов или секундомеров.У Галилея не было этих инструментов, поэтому он использовал свой пульс. В этом упражнении ученики будут измерять периоды своих маятников, используя свои импульсы, и сравнивать свои результаты с результатами, полученными на часах.

Покажите учащимся, как определять пульс, нажимая двумя пальцами на артерию рядом с запястьем. Перед тем, как сделать это, убедитесь, что учащиеся находятся в состоянии покоя в течение нескольких минут, чтобы они могли получить стабильную частоту пульса. Работая в группах, попросите одного ученика привести маятник в движение, в то время как другой измеряет удары пульса, которые происходят во время пяти полных качелей, а затем десяти полных качелей.Учащиеся должны воспроизвести расстояния, которые они использовали в предыдущем эксперименте «Проверка падения», для амплитуды и длины веревки. Запишите количество ударов пульса. Повторите эту процедуру с разными учащимися, измеряя частоту их пульса. Затем попросите учащихся измерить и записать пять полных движений и десять полных движений с помощью секундомера или цифровых часов.

Поделитесь результатами каждой группы со всем классом. Как сравнить измерения пульса с измерением на часах? Каковы преимущества использования секундомера или цифровых часов перед подсчетом ударов пульса в качестве метода измерения времени?


Отправьте нам отзыв об этом уроке>

Раскачивание на тетиве — Урок

. (1 Рейтинг)

Быстрый просмотр

Уровень оценки: 8 (7-9)

Требуемое время: 45 минут

Зависимость урока:

Тематические области: Алгебра, Физические науки, Физика

Резюме

Студенты изучают, как работают маятники и почему они полезны в повседневных применениях.В практической деятельности они экспериментируют с длиной струны, весом маятника и углом выпуска. В рамках соответствующей деятельности по обучению грамоте учащиеся изучают механическую концепцию ритма, основанную на принципе колебания, в более широком биологическом и культурном контексте — в танцах и спорте, поэзии и других литературных формах, а также в общении в целом.

Инженерное соединение

Инженеры знают, что понимание физики поведения маятников — важный шаг к пониманию всех видов движения.Многие другие объекты регулярно движутся вперед и назад, как маятники, например, вес, подпрыгивающий вверх и вниз на пружине, и движение радиоволн вперед и назад. Помимо использования маятников в часах, инженеры используют их для обнаружения землетрясений, измерения скорости полета пули, помощи зданиям в сопротивлении сотрясениям землетрясений и помощи роботам в равновесии. В столице Тайваня небоскребе Taipei 101 висит гигантский 726-тонный маятник, подвешенный над 88-м этажом, чтобы противодействовать ветрам, уменьшая раскачивание здания и сдерживая укачивание.

Цели обучения

После этого урока учащиеся должны уметь:

  • Объясните, как вес, длина и угол поворота влияют на период маятника.
  • Свяжите изучение физики и эксперименты Галилея с созданием часов.
  • Опишите, как сохранение количества движения связано с маятниками.
  • Приведите примеры того, как инженеры используют маятники.

Образовательные стандарты

Каждый урок или задание TeachEngineering соотносится с одним или несколькими научными дисциплинами K-12, образовательные стандарты в области технологий, инженерии или математики (STEM).

Все 100000+ стандартов K-12 STEM, охватываемых TeachEngineering , собираются, обслуживаются и упаковываются сетью стандартов достижений (ASN) , проект D2L (www.achievementstandards.org).

В ASN стандарты иерархически структурированы: сначала по источникам; например , по штатам; внутри источника по типу; например , естественные науки или математика; внутри типа по подтипу, затем по классу, и т. д. .

Международная ассоциация преподавателей технологий и инженерии — Технология
ГОСТ Предложите выравнивание, не указанное выше

Какое альтернативное выравнивание вы предлагаете для этого контента?

Больше подобной учебной программы

Наука качелей

Студенты узнают, что такое маятник и как он работает во время аттракционов.Изучая физику маятников, они также знакомятся с первым законом движения Ньютона — о непрерывном движении и инерции.

В круговороте вещей

После просмотра клипа 1940 года об обрушении моста «Галопирующая Герти» и демонстрации учителя с простым маятником группы студентов обсуждают, а затем исследуют идею повторяющегося движения — в частности, концепции периодического и гармонического движения.Они изучают основные свойства этого типа …

Качели во времени

Учащиеся изучают движение маятников и приходят к пониманию того, что чем длиннее струна маятника, тем меньше количество колебаний в заданном временном интервале. Студенческие группы проводят эксперимент, собирая и отображая данные на листе.

Качающийся со стилем

Студенты на собственном опыте узнают о характеристиках простого физического явления — маятника — катаясь на качелях на игровой площадке. Они используют маятниковые термины и таймер, чтобы экспериментировать с колебательными переменными. Они расширяют свои знания, следуя этапам процесса инженерного проектирования до нужного…

Предварительные знания

Базовое понимание сил, таких как подъемная сила, вес, тяга и сопротивление, вращательное движение и угловой момент.

Введение / Мотивация

Вы когда-нибудь играли на качелях? Когда вы качаетесь, вы плавно едете от вершины одной дуги, через основание, к вершине на другой стороне качелей и обратно.Когда вы качаетесь, вы двигаетесь как маятник. Маятник — это веревка, свисающая с фиксированного места с грузом (называемым бобом) на одном конце, который может качаться вперед и назад.

Однажды в конце XVI века подающий надежды ученый по имени Галилео Галилей сидел в церкви, когда заметил, что люстры, свисающие с потолка, раскачиваются взад и вперед. Некоторые из ламп сильно раскачивались, а другие лишь слегка раскачивались взад и вперед, но все они довольно регулярно ходили взад и вперед.Галилею было любопытно, поэтому он решил использовать свое сердцебиение, чтобы измерить, сколько времени нужно маятникам, чтобы качаться туда-сюда. Он был очень удивлен тем, что узнал. Сегодня вы повторите эксперимент Галилея, чтобы узнать о маятниках.

Многие считают Галилея «отцом экспериментальной науки». До Галилея большинство людей пытались понять окружающий мир, просто думая о том, что они видели. Галилей, конечно, много думал, но он сделал то, что сделали немногие другие, — он провел эксперименты, чтобы проверить свои идеи.Вот как сегодня люди занимаются наукой и техникой!

Благодаря своим экспериментам Галилей смог описать движение маятника с помощью математического уравнения, включенного в этот урок. В конце концов, ему пришла в голову идея использовать маятник как способ отслеживать время. Он использовал свои открытия как инструмент для других экспериментов, в которых сделал много других открытий.

Инженеры также используют изобретения и открытия для создания новых вещей. Сегодня инженеры используют маятники в часах, но они также используют их для обнаружения землетрясений и защиты зданий от сотрясений.Инженеры используют маятники, чтобы измерить скорость полета пули и помочь роботам балансировать. Может быть, вы тоже придумаете какие-нибудь новые способы использования маятника!

Оказывается, понимание движения маятника действительно полезно. Многие другие объекты регулярно движутся вперед и назад, как маятники, например, вес, подпрыгивающий вверх и вниз на пружине, вращающееся колесо — даже радиоволны идут вперед и назад! Физика понимания того, как ведут себя маятники, является важным шагом на пути к пониманию всех видов движения.Обратитесь к соответствующему упражнению «Качели во времени» для учащихся, чтобы узнать, как работают маятники, используя простые, сделанные вручную маятники, чтобы экспериментировать с веревками различной длины и веса.

За свою жизнь Галилей сделал множество научных открытий, включая описания гравитации и движения падающих объектов, спутников Юпитера, новых видов термометров и многого другого. Он был пионером научного метода исследования окружающего мира. Сегодня мы пойдем по стопам Галилея, чтобы узнать, как ведут себя маятники.

Предпосылки и концепции урока для учителей

Считается, что интерес Галилея к маятникам возник, когда он сидел в соборе в Пизе, Италия. После того, как он заметил, что лампы регулярно качаются вперед и назад, он начал экспериментировать с маятниками, чтобы узнать об их движении. Маятники — довольно простые устройства, и факторы, которые могут повлиять на их движение, — это длина струны, вес боба и размер качания.Галилей экспериментировал, чтобы определить, какая из этих переменных определяет частоту колебаний маятника.

На этом уроке ученики наблюдают, что размер качелей не влияет на время, необходимое маятнику, чтобы качаться взад и вперед. Как и Галилей, ученики обнаруживают, что даже когда маятник качается на небольшой угол, время каждого качания (период) остается таким же, как если бы он качался на большой угол! Как и Галилей, студенты также обнаруживают, что не имеет значения, какой массы объект на конце струны — время каждого колебания (период) остается тем же.Поскольку Галилей учился в медицинской школе, когда проводил свои эксперименты, он решил, что маятник будет полезен для измерения пульса пациентов. Возможно, ученики тоже придут к мысли о новых применениях! Обратитесь к соответствующему заданию «Космический ритм» для учащихся, чтобы изучить механическую концепцию ритма, основанную на принципе колебаний, в более широком биологическом и культурном контексте

Благодаря Галилею мы теперь знаем, что период маятника можно математически описать уравнением:

Где:

P = период; я.е., время одного качания маятника [сек]

l = длина от фиксированной точки в верхней части маятника до центра масс боба [м]

г = гравитационная постоянная (9,8 м / сек 2 )

π ≈ 3,14 (безразмерная постоянная)

Обратите внимание, что в это уравнение не входят члены для массы маятника или угла, на который он качается. Единственный фактор, который существенно влияет на раскачивание маятника на Земле, — это длина его струны.

Студенты могут задаться вопросом, почему длина струны — единственное, что влияет на период маятника. Это можно объяснить, исследуя возможные эффекты каждой из трех переменных: длины струны, массы боба и смещенного угла. Длина струны влияет на период маятника, так что чем больше длина струны, тем больше период маятника. Это также влияет на частоту маятника, то есть скорость, с которой маятник раскачивается вперед и назад.Маятник с более длинной струной имеет более низкую частоту, что означает, что он качается назад и вперед меньше раз за заданный промежуток времени, чем маятник с более короткой длиной струны. Это приводит к тому, что маятник с более длинной струной совершает меньше циклов вперед и назад за заданный промежуток времени, потому что каждый цикл занимает больше времени.

Масса боба не влияет на период маятника, потому что (как обнаружил Галилей и объяснил Ньютон) масса боба ускоряется к земле с постоянной скоростью — гравитационной постоянной, г .Подобно тому, как предметы с разной массой, но одинаковой формы падают с одинаковой скоростью (например, мяч для пинг-понга и мяч для гольфа или виноград и большой шарикоподшипник), маятник тянется вниз с одинаковой скоростью, независимо от того, как сколько весит боб.

Наконец, угол поворота маятника (большой или небольшой) не влияет на период маятника, потому что маятники, качающиеся на больший угол, ускоряются больше, чем маятники, качающиеся на небольшой угол.Это из-за того, как падают предметы; когда что-то падает, оно продолжает ускоряться. Пока объект движется не так быстро, как может, он ускоряется. Следовательно, то, что падало дольше, будет двигаться быстрее, чем то, что только что было выпущено. Маятник, раскачивающийся под большим углом, притягивается силой тяжести на протяжении большей части своего поворота, чем маятник, раскачивающийся под небольшим углом, поэтому он ускоряется больше, преодолевая большее расстояние своего большого колебания за то же время, что и маятник, покачивающийся на небольшой угол, преодолевает меньшее пройденное расстояние.

Сопутствующие мероприятия

  • Качели во времени — в этом практическом упражнении учащийся узнает, как работают маятники, используя простые, сделанные вручную маятники, для экспериментов с струнами различной длины и веса.

    Посмотреть это занятие на YouTube

  • Космический ритм — студенты изучают механическую концепцию ритма, основанную на принципе колебаний, в более широком биологическом и культурном контексте — в танцах и спорте, поэзии и других литературных формах, а также в общении в целом.В рамках задания ученики пишут стихи, используя рифму и размер.

    Посмотреть это занятие на YouTube

Закрытие урока

Попросите студентов объяснить, какие факторы могут повлиять на период маятника. (Ответ: длина маятника, вес боба, угол качания маятника.) Какие факторы действительно влияют на период маятника? (Ответ: длина маятника.) Почему вес не имеет значения? (Ответ: потому что маятник, как и падающие предметы, не зависит от веса.) Как длина струны маятника влияет на его период? (Ответ: маятник с более длинной струной имеет более длительный период, что означает, что для завершения одного цикла вперед и назад требуется больше времени по сравнению с маятником с более короткой струной. Кроме того, маятник с более длинной струной имеет более низкую частоту, Это означает, что он совершает меньше циклов вперед и назад за заданный промежуток времени по сравнению с маятником с более короткой струной.) Почему угол начала маятника не влияет на период? (Ответ: потому что маятники, которые начинаются под большим углом, быстрее ускоряются, поэтому они движутся быстрее, чем маятники, начинающиеся под небольшим углом.)

Словарь / Определения

bob: качающийся груз на конце маятника.

гравитация: сила, притягивающая тела к центру Земли.

колебание: возвратно-поступательное колебательное движение подпрыгивающего маятника.Одно колебание завершается, когда боб возвращается в исходное положение.

маятник: струна с грузом на одном конце, подвешенная к неподвижной опоре, так что она свободно качается вперед и назад под действием силы тяжести.

период: время, необходимое качению маятника, чтобы вернуться в исходное положение.

Оценка

Оценка перед уроком

Вопросы для обсуждения: Задайте ученикам и обсудите их всем классом.

  • Вы когда-нибудь качались на качелях? Вы двигаетесь быстрее, когда делаете большие или маленькие качели? (Ответ: Большие колебания.) Вы когда-нибудь наблюдали маятник? Что быстрее: маятник на длинной струне или маятник на короткой струне? (Ответ: длинная нить.) Можете ли вы представить себе вещи, которые движутся как маятники? (Возможные ответы: качели на качелях, качели из веревки, качели из покрышек, напольные часы, балансировочные механизмы на роботах, цирковая трапеция и т. Д.) Скажите учащимся, что они узнают больше о маятниках на сегодняшнем уроке.

Оценка после введения

Голосование: Задайте вопрос «правда / ложь» и попросите учащихся проголосовать, подняв палец вверх за истину и вниз за ложь. Подсчитайте голоса и запишите итоги на доске. Дайте правильный ответ.

  • Верно или неверно: Галилей считается основателем современной науки, поскольку он проводил эксперименты. (Ответ: Верно)
  • Верно или неверно: движение маятника можно описать математически. (Ответ: Верно)
  • Верно или неверно: маятники используются только в часах.(Ответ: неверно)
  • Верно или неверно: маятники помогают нам понять многие вещи, которые движутся вперед и назад. (Ответ: Верно)
  • Верно или неверно: инженеры используют маятники для конструирования разных вещей, например роботов. (Ответ: Верно)

Итоги урока Оценка

Human Matching: На десяти листах бумаги напишите термин или определение пяти словарных слов. Попросите десять добровольцев из класса выйти в переднюю часть комнаты и раздайте каждому по одному листу бумаги.Попросите каждого добровольца по очереди прочитать, что написано на их бумаге. Остаток термина класса должен соответствовать определению путем голосования. Попросите студенческие «термины» стоять рядом с их «определениями». В конце дайте краткое объяснение понятий.

Мероприятия по продлению урока

Предложите студентам исследовать Галилео Галилей в рамках исследовательского проекта библиотеки. Какие еще научные открытия он сделал при жизни? Предложите учащимся изучить способы, которыми инженеры используют маятники сегодня.Некоторые предложения: сейсмографы, инерционные глушители, в небоскребах.

использованная литература

«Битва за небеса» Галилея, программа NOVA в прямом эфире и в Интернете, февраль 2004 г .: http://www.pbs.org/wgbh/nova/galileo/.

Маятниковые эксперименты Галилея, Экспериментальная группа, февраль 2004 г .: http://galileo.rice.edu/sci/instruments/pendulum.html.

Гамов, Георгий. Великие физики от Галилея до Эйнштейна.Нью-Йорк, Нью-Йорк: Харпер и братья, 1961.

Гиттевитт, Пол. Концептуальная физика. Менло-Парк, Калифорния: Аддисон-Уэсли, 1992.

Наклонная плоскость, Тель-Авивский университет, Виртуальный музей науки, техники и культуры, февраль 2004 г .: http://muse.tau.ac.il/museum/galileo/inclined_plane.html.

Вольфсон, Ричард и Джей М. Пасачофф. Физика: для ученых и инженеров. Ридинг, Массачусетс: Addison-Wesley Longman Inc., 1999.

Другая сопутствующая информация

Просмотрите концентратор учебной программы по физике, согласованный с NGSS, чтобы найти дополнительные учебные программы по физике и физическим наукам, посвященные инженерным наукам.

авторское право

© 2004 Регенты Университета Колорадо.

Авторы

Сабер Дурен; Бен Хевнер; Малинда Шефер Зарске; Дениз Карлсон

Программа поддержки

Комплексная программа преподавания и обучения, Инженерный колледж, Университет Колорадо в Боулдере

Благодарности

Содержание этой учебной программы по цифровой библиотеке было разработано за счет гранта Фонда улучшения послесреднего образования (FIPSE), U.S. Министерство образования и Национальный научный фонд ГК-12, грант No. 0338326. Однако это содержание не обязательно отражает политику Министерства образования или Национального научного фонда, и вам не следует предполагать, что оно одобрено федеральным правительством.

Последнее изменение: 3 августа 2021 г.

Качается с маятником — Scientific American

Ключевые концепции
Физика
Гравитация
Движение
Маятники

Введение
Знаете ли вы, что качели на игровой площадке могут стать не только хорошим уроком физики, но и развлечением? Возвратно-поступательное движение качелей — это пример маятника.

Мы видим маятники и в других сферах нашей жизни, например, в «дедушкиных» (также известных как длинных) часах. Но маятники могут не только развлечься на перемене и помочь определить время — среди других научных приложений они могут показать, что Земля огромна! Это потому, что раскачивание маятника происходит из-за силы тяжести, создаваемой размерами Земли. Другие факторы, в том числе длина маятника, также могут влиять на его движение.

Фон
Маятник — это объект, подвешенный к фиксированной точке, который раскачивается назад и вперед под действием силы тяжести.В примере с качелями для игровой площадки качели поддерживаются цепями, прикрепленными к фиксированным точкам в верхней части качелей. Когда качели поднимаются и отпускаются, они будут свободно перемещаться вперед и назад из-за действующей на них силы тяжести. Качели продолжают двигаться вперед и назад без какой-либо дополнительной помощи извне, пока трение (между воздухом и качелями, а также между цепями и точками крепления) не замедлит их и в конечном итоге не остановит.

Время, за которое маятник возвращается в исходное положение, называется периодом маятника.Например, это время, когда ребенка толкают на качелях, чтобы его толкнули, а затем он возвращается для следующего толчка. Период маятника зависит от силы тяжести, а также от длины маятника.

Материалы
• Два одинаковых стула
• Нить или пряжа
• Десять металлических шайб одинакового размера или шесть пенсов
• Крепкая лента
• Дозиметр
• Ножницы
• Секундомер с точностью до 0.1 секунда
• Помощник

Подготовка
• Поставьте два стула вплотную друг к другу. Разместите их на расстоянии около метра друг от друга. Положите измеритель на спинки двух стульев по центру на спинке каждого.
• Отрежьте один кусок веревки длиной 70 сантиметров. Отрежьте второй кусок веревки длиной 35 см. Привяжите один конец обеих струн к измерителю к середине стержня. Расположите струны на расстоянии от 20 до 30 см на измерительной линейке.
• Привяжите пять металлических шайб к свободному концу каждой струны. В качестве альтернативы, если вы используете пенни и ленту, надежно прикрепите три пенни к свободному концу каждой струны.
Совет: Если вам кажется, что измерительная палка не стабильно сидит на спинках стульев, вы можете попробовать прикрепить концы измерительной палки к стульям липкой лентой.

Порядок действий
• Туго натяните струны (держась за шайбы или пенни на концах) и расположите струны под одинаковым углом от измерительной ручки.
• Подготовьте помощника с секундомером. Опустите более длинный маятник и одновременно попросите помощника запустить секундомер. Затем попросите помощника остановить секундомер, когда маятник вернется в исходное положение. Если маятник ударился о что-нибудь во время качания, например, о стену, отрегулируйте настройку и попробуйте снова синхронизировать маятник. Сколько времени нужно большему маятнику, чтобы вернуться в исходное положение? Это период маятника.
• Снова туго натяните струны и удерживайте их под одинаковым углом от измерительной ручки.
• Попросите помощника сбросить секундомер. Опустите более короткий маятник и еще раз попросите помощника отсчитать период маятника. Сколько времени нужно более короткому маятнику, чтобы вернуться в исходное положение?
• Измерьте время периодов более короткого и более длинного маятников еще несколько раз. Согласованы ли периоды для каждого маятника или они сильно различаются?
Период более длинного маятника длиннее или короче, чем период более короткого маятника? Насколько отличаются эти два периода? Вы этого ожидали?
Extra: Вместо того, чтобы отсчитывать период качания, вы можете измерить, как долго качается каждый маятник, прежде чем он остановится. Сколько всего времени колеблется каждый маятник?
Extra: Вместо изменения длины струны измените количество грузов, прикрепленных к струне, или начальный угол струны. Влияют ли масса или начальный угол на период маятника? Влияют ли они на общее время маятника?

Наблюдения и результаты
Был ли у более длинного маятника более длительный период, чем у более короткого маятника? Разве период более длинного маятника не вдвое больше, чем период более короткого маятника?

Период маятника зависит от его длины, но эта зависимость не является линейной.Маятник, который вдвое длиннее другого маятника, не просто имеет период, который вдвое больше. Точные периоды ваших длинных и более коротких маятников могут быть немного меньше 1,7 секунды и 1,2 секунды соответственно из-за трения и из-за того, что их длина была меньше 70 см и 35 см (из-за того, что для привязки к креплениям использовались веревки).

Возможно, самый известный маятник — это маятник Фуко, который показал вращение Земли в середине 1800-х годов. Одно из первых известных применений маятника было примерно у А.D. 100, когда китайский ученый Чжан Хэн использовал его для обнаружения далеких землетрясений с помощью устройства, называемого сейсмографом. Сегодня маятники находят множество применений, в том числе для измерения местной силы тяжести и помощи в управлении кораблями и самолетами.

Больше для изучения
«Маятниковая лаборатория» от Университета Колорадо в PhET-проекте Боулдера
«Маятник показывает периодическое движение» от Школы чемпионов
«Swing Low: исследуйте движение маятника» от Science Buddies

Это задание было представлено вам в партнерстве с Science Buddies

Сочувствие двух маятниковых часов: за пределами наблюдений Гюйгенса

В качестве первого шага, представлено экспериментальное исследование.Результаты экспериментов показали, что представленные здесь монументальные маятниковые часы демонстрируют синфазное синхронизированное движение. Этот результат, по-видимому, противоречит наблюдениям Гюйгенса, который, насколько нам известно, наблюдал только противофазную синхронизацию в своей установке маятниковых часов, хотя, весьма вероятно, он знал о возможности наблюдения синфазно синхронизированного движения своих часов. . Кроме того, эксперименты также показывают, что при синхронизации маятниковые часы становятся «медленными», т.е.е. частота их колебаний уменьшается. Затем, чтобы получить строгое объяснение этих результатов, математическая модель, которая учитывает гибкость соединительной конструкции, то есть гибкость деревянного стола, на котором установлены часы, была получена с помощью метода конечных элементов. Аналогичным образом показано, что при некоторых мягких предположениях система связанных часов Гюйгенса может рассматриваться как кусочно-линейная система. Наконец, даны аналитические условия существования устойчивого синхронизированного движения в связанных часах.

Результаты экспериментов

Экспериментальная платформа, использованная в этом исследовании, изображена на рис. 2. Она состоит из двух монументальных часов, размещенных на вершине деревянной конструкции. Часы специально разработаны и изготовлены, как можно более идентичны , на часовой фабрике Relojes Centenario , расположенной в Закатлане, Пуэбла, Мексика, которая является промышленным партнером в исследовании, о котором здесь сообщается. У каждых часов есть маятник, который состоит из металлической массы, прикрепленной к нижнему концу деревянного стержня.Масса маятника составляет 5 [кг], а длина стержня — 0,99 [м]. В основе каждых часов находится анкерный спусковой механизм, который приводится в движение подвешенными грузами. С другой стороны, конструкция, на которой размещены часы, сделана из древесины сосны. Механические и геометрические свойства конструкции и часов представлены в таблицах 1 и 2 соответственно. Здесь стоит упомянуть, что конструкция соединительной конструкции вдохновлена ​​нашей предыдущей теоретической работой 24 .Кроме того, следует отметить, что экспериментальная установка, изображенная на рис. 2, немного отличается от той, которую использовал Гюйгенс. В нашем случае часы опираются на конструкцию, тогда как в эксперименте Гюйгенса часы висели на конструкции, см. Рис. 1, но в обеих конструкциях присутствует гибкость, то есть упругая деформация материала (дерева).

Таблица 1 Геометрические свойства и свойства материала (дерево) для муфтовой конструкции. Таблица 2 Значения параметров идеальных маятниковых часов, используемых в численном анализе. Рис. 2

Экспериментальная установка в Relojes Centenario.

Эксперименты описываются следующим образом. Маятник часов инициализируется с противоположных позиций. Однако после длительного переходного процесса, составляющего приблизительно 30 минут, маятник достиг такого созвучия, что маятник колебался в том же направлении, с одинаковой частотой и амплитудой, то есть маятник часов синхронизирован синфазно. После того, как часы синхронизированы, они остаются в этом состоянии до тех пор, пока существует потенциальная энергия, накопленная в весах, приводящих в действие спусковой механизм.

Полученные экспериментальные результаты для эксперимента продолжительностью 1 час представлены на рис. 3. Полный временной ряд представлен на рис. 3 (а, б), где синий временной ряд соответствует угловому смещению маятникового. , тогда как зеленый временной ряд обозначает угловое смещение, соответствующее маятнику номер два. Хотя из этих рисунков неясно начало синхронизации, становится очевидным, что «что-то» происходит в интервале t ∈ [300, 1100] [с]: первые маятниковые часы (синяя линия) набирают амплитуду, тогда как вторые маятниковые часы (зеленая линия) теряют амплитуду.

Рисунок 3

Экспериментальные результаты для эксперимента продолжительностью один час.

( a ) Угловое смещение маятникового. ( b ) Угловое смещение маятника два. ( c ) Часы инициализируются близко к противофазному движению. ( d ) Маятник № 1 приобретает амплитуду, а маятник № 2 теряет амплитуду, и разность фаз уменьшается. ( e ) После длительного переходного режима маятник синхронизируется синфазно.

Чтобы лучше понять результаты экспериментов, на рис.3 (в – д) — снимки, соответствующие рис. 3 (а, б). Первые 5 секунд эксперимента изображены на рис. 3 (c), из которого становится очевидным начальное противофазное движение маятниковых часов. Затем на рис. 3 (d) показана временная эволюция угловых перемещений часов в интервале t ∈ [775, 780] [с]. Из этого рисунка видно, что амплитуда, соответствующая угловому смещению маятника номер один (синяя линия), больше, чем амплитуда маятника два (зеленая линия) в этот промежуток времени.Наконец, снимок последних 5 секунд эксперимента, см. Рис. 3 (e), показывает, что часы действительно синхронизированы синфазно.

Чтобы дополнительно проиллюстрировать начало синхронизации, проекции динамического поведения часов на плоскость (θ 1 , θ 2 ) представлены на рис. 4 (a – c), где , i = 1, 2, обозначает угловое смещение маятника i . Отметим, что рис. 4 (a – c) соответствуют временному ряду, представленному на рис.3 (в – д) соответственно. Из этих графиков ясно видны противофазный запуск (близкий к), переходный режим и «устойчивое» синфазное синхронизированное движение.

Рисунок 4

Результаты экспериментов.

( a c ) Проекции динамического поведения часов на плоскость (θ 1 , θ 2 ), соответствующую временному ряду, изображенному на рис. 3 (c – e), соответственно. ( d ) Ошибка синхронизации.

Наконец, ошибка синхронизации, которая определяется как разница между угловым смещением маятника один и угловым смещением маятника два, т.е.е. , представлен на рис. 4 (г). Обратите внимание, что вначале ошибка велика из-за того, что маятник инициализируется с противоположных сторон. Однако после длительного переходного режима ошибка «почти» исчезает. Здесь стоит отметить, что во временном ряду ошибок, изображенном на рис. 4 (d), есть моменты, в которые ошибка кажется уменьшающейся до нуля, но «внезапно» растет и снова уменьшается.

Это объясняется следующим образом. В моменты, когда кажется, что ошибка увеличивается, электродвигатель, перематывающий подвешенные грузы, приводящие в движение спусковой механизм, активируется на несколько секунд.Следовательно, вибрация двигателя вызывает возмущение маятника и, как следствие, синхронное движение мгновенно нарушается. Однако после достижения «устойчивого» движения часов (через полчаса) влияние вибрации двигателя на часы становится незначительным, и, следовательно, часы синхронизируются синфазно до конца эксперимента. Это хорошо видно на рис. 4 (г). Нельзя ожидать, что ошибка синхронизации будет равна нулю, поскольку в часах неизбежны несовпадения.То, что мы наблюдаем в эксперименте и вообще в любом эксперименте по синхронизации, — это так называемая практическая синхронизация 31,32 .

С другой стороны, было обнаружено, что при синхронизации часы становятся медленными, то есть частота колебаний синхронизированных часов ниже, чем частота колебаний несвязанных часов. Это изображено на рис. 5. На правой панели показана частота колебаний для несвязанных часов, которая составляет 0,5003 [Гц], тогда как на левой панели показана частота колебаний для связанных часов, которая равна 0.4935 [Гц]. Другими словами, связанные часы будут терять 47,34 [с] в час или, что то же самое, 1136,16 [с] в день!

Рисунок 5

Частота колебаний.

( a ) Связанные и синхронизированные часы. ( b ) Несвязанные часы.

Этот результат совпадает с нашей предыдущей теоретической работой 22 , где было показано, что жесткость соединительной структуры играет ключевую роль в определении частоты колебаний синхронизированных часов, а именно, для соединительной структуры с «низким» значением. жесткости, часы будут колебаться с частотой выше, чем частота колебаний, соответствующая несвязанным часам, а для соединительной конструкции с относительно большой жесткостью частота колебаний будет ниже, чем частота колебаний несвязанных часов, как и в эксперименте с Здесь представлены монументальные часы.Более того, изменение частоты колебаний также может быть связано с потерей энергии в часах из-за демпфированной структуры связи, см., Например, 9,29 .

В заключение следует отметить, что для простоты объяснения здесь описан только один эксперимент. Однако мы хотим подчеркнуть тот факт, что эксперимент был повторен несколько раз (более 100) и во всех испытаниях результаты совпадают с результатами, представленными на рис. 3, 4, 5, т.е. эксперимент воспроизводимый. В частности, в таком исчерпывающем экспериментальном анализе (не описанном здесь) использовались различные начальные условия, включая случай запуска маятника часов в противофазе. Установлено, что при всех рассмотренных начальных условиях маятник всегда сходится к синфазно синхронизированному движению. Аналогичным образом, в случае, когда часы работают синхронно в фазе, если небольшое возмущение применяется к одному маятнику (например, толкает маятник в противоположном направлении движения), синхронизированное движение в фазе восстанавливается после влияние возмущения исчезает.

Интермеццо: голландская национальная викторина по науке

В декабре 2012 года в ходе голландской национальной научной викторины, организованной Нидерландской организацией научных исследований (NWO) и голландской общественной вещательной компанией VPRO, перед собравшимися были заданы 15 вопросов, связанных с наукой. public, один из них гласил: Рассмотрим пару метрономов с немного разными частотами, установленных на платформе, упруго прикрепленной к неподвижной опоре. Платформа может двигаться только по горизонтальной оси. Предположим, что через некоторое время метрономы синхронизируются. Какая частота синхронизации? Было 3 возможных ответа: а) Частота колебаний синхронизированных метрономов ниже, чем среднее значение частот, соответствующих каждому несвязанному метроному.б) Частота колебаний — это среднее значение частот колебаний каждого несвязанного метронома. c) Частота колебаний синхронизированных метрономов выше, чем среднее значение частот, соответствующих каждому несвязанному метроному. Для ответа мы подготовили эксперимент с использованием установки Неймейера, см. Рис. 6 (а). Эксперимент, который транслировался для голландской аудитории, показал, что ответ — A ). Ответ довольно сложный, поскольку правильный ответ зависит от коэффициента жесткости пружины платформы (а также различных других механических характеристик платформы и метрономов).Этот факт был строго доказан в [4]. 22, где было показано, что частота колебаний, существование и стабильность синфазного решения — решения, в котором метрономы колеблются по созвучию с одинаковой частотой и амплитудой и нулевой разностью фаз — в значительной степени определяются жесткостью пружины платформы, как показано на рис. 6 (b), из которого видно, что в зависимости от значения коэффициента жесткости k частота колебаний синхронного решения выше или ниже частоты колебаний несвязанных метрономов (горизонтальная пунктирная линия).В интервале, где частота колебаний остается постоянной, независимо от значения k , синфазное решение становится нестабильным, и вместо этого метрономы синхронизируются в противофазе. Очевидно, что практически невозможно найти правильный ответ на вышеупомянутую викторину в кратчайшие сроки и без тщательного обоснования. Обратите внимание, однако, что результаты, полученные с помощью установки Неймейера (метрономы), совпадают с результатами, представленными в этой рукописи (монументальные часы), т.е.е. в обоих случаях осцилляторы, метрономы или маятниковые часы, показывают синхронизированное движение синфазно и замедляются.

Рисунок 6

( a ) Установка Неймейера, см., Например, 11 . ( b ) Частота колебаний двух связанных метрономов как функция жесткости.

Математическая модель и результаты моделирования

Чтобы объяснить экспериментальные результаты, представленные в предыдущем разделе, математическая модель, описывающая динамическое поведение экспериментальной установки на рис.2 получается.

Сначала моделируется деревянная соединительная конструкция с использованием метода конечных элементов (FE) 33 . Таким образом, учитывается гибкость конструкции (изгиб и удлинение) 24 . Формализм КЭ требует разделить структуру на конечные части, то есть дискретизировать пространственную переменную, с конечной целью получения конечного набора обыкновенных дифференциальных уравнений (ОДУ). На рисунке 7 показана полученная дискретизированная структура, состоящая из 5 балочных элементов (белые полосы, 2 вертикальных и 3 горизонтальных), соединенных между собой через 4 узла (серые кружки).Каждый элемент моделируется с помощью балок Эйлера. Вертикальные элементы имеют длину l S , тогда как горизонтальные элементы имеют длину l b . В каждом узле есть две степени свободы, а именно поступательное и вертикальное движение. Следовательно, модель, описывающая динамическое поведение конструкции, будет состоять из 8 ОДУ.

На втором этапе каждые часы моделируются как ведомый и затухающий маятник. В частности, предполагается, что каждый маятник состоит из точечной массы массой м i , прикрепленной к нижнему концу безмассового стержня длиной l i , для i = 1 , 2.Еще одно предположение связано с прикреплением маятника к конструкции. Как видно из рис. 7, без ограничения общности предполагается, что маятник непосредственно прикреплен к конструкции посредством шарнирного соединения с вязким и линейным демпфированием. Коэффициент демпфирования обозначается как d i [Нм / рад]. Аналогичным образом, металлический корпус каждых часов был смоделирован как точечная масса, добавленная к узлу, к которому подключены часы. Наконец, спусковой механизм в каждых часах заменяется подходящим «спусковым механизмом» u i , i = 1, 2, который будет разработан позже.

Вышеупомянутый процесс моделирования приводит к следующим (идеализированным) уравнениям движения:

, где g [м / с 2 ] — ускорение свободного падения, а q = [ x 1 y 1 x c 1 y c 1 x c 2 y c 2 2 2 80 x 2 ] T — вектор состояния.Переменные состояния x 1 , x 2 и y 1 , y 2 обозначают поступательное и вертикальное смещения в узлах 1 и 4 соответственно. Аналогичным образом, переменные состояния x c 1 , x c 2 и y c 1 , y c 2 смещения по вертикали и смещения по вертикали описывают узлов 2 и 3 соответственно, к которым прикрепляется маятник, см. рис.7. С другой стороны, M , K — это матрицы сосредоточенной массы, жесткости и демпфирования, соответственно. Эти матрицы могут быть легко получены, следуя стандартной теории КЭ для балочных элементов, см., Например, 33 . Вектор содержит внешние силы, действующие маятником на соединительные узлы (узлы 2 и 3 на рис. 7), и задается формулой

, где

Оставшаяся задача — смоделировать механизм спуска для часов. Однако стоит отметить, что подходящую модель для спуска получить сложно cf. 34,35 . Это причина, по которой некоторые авторы смоделировали спуск, используя непрерывные 10,16,22 и прерывистые 21,24,29 нелинейные функции. Эти приближения кажутся достаточными, чтобы уловить существенное поведение спускового механизма.

В данном случае спусковой механизм часов i моделируется кусочно-линейной функцией

, где i = 1, 2 — угол поворота маятника i и α, θ ref , являются расчетными параметрами.

Схема скалярного входа u i , i = 1, 2, очень интуитивно понятна: каждый раз, когда маятник достигает порогового угла, который определяется θ ref и ε , к маятнику прикладывается ступенчатая сила величиной α в положительном или отрицательном направлении, в зависимости от знака углового положения и угловой скорости. Такое поведение совпадает с реальной работой анкерного спуска в часах: анкер прикладывает небольшую ступенчатую силу к зубцу спускового колеса, когда угловое смещение часов достигает порогового значения, создавая характерные тик и такт. звучит.Также есть моменты, когда анкерный спуск не контактирует со спусковым колесом. Заинтересованный читатель может обратиться к 24 , где проиллюстрировано действие предлагаемого спускового механизма (6).

Путем определения вектора состояния система (1) — (2) может быть записана в форме первого порядка

, где O представляет матрицу нулей, 0 вектор нулей и I единичную матрицу, все из подходящие размеры. ,, — расширенные матрицы массы, жесткости и демпфирования, соответственно, F — нелинейный вектор, F input — входной вектор и u = [ u 1 u 2 ] Т .Эти матрицы и векторы представлены в разделе «Методы», см. Уравнения (25, 26, 27, 28, 29).

Обратите внимание, что производная модель содержит два основных компонента, изображенных в правой части рис. 1: модель соединительной конструкции, которая включает свойства гибкости конструкции, и соответствующую модель для часов, включая механизм спуска. Более того, эти две модели соответствующим образом связаны, так что влияние часов на структуру содержится в члене f , см. Уравнение.(1), тогда как влияние структуры на часы обозначается первыми двумя членами в правой части уравнения. (2).

Кроме того, на этом этапе читатель должен убедиться, что полученная модель (7) не содержит «искусственных» терминов, поскольку она была получена в соответствии с хорошо установленными физико-механическими законами. Другими словами, представленная здесь модель кажется подходящей моделью для экспериментальной установки, показанной на рис. 2.

Численный анализ был проведен с конечной целью воспроизведения экспериментальных результатов, обсужденных ранее, и, таким образом, для проверить нашу модель.Следовательно, система (7) с входами (6) численно интегрирована. Значения параметров были получены на экспериментальной установке и сведены в Таблицу 1 и Таблицу 2 в Разделе Методы. Обратите внимание, что маятник считается идентичным. Дополнительные сведения о моделировании также представлены в вышеупомянутом разделе.

На рисунке 8 показаны полученные результаты моделирования. Как и в экспериментах, маятник сначала выпускают с противоположных сторон.Однако примерно через 25 минут часы переходят к синхронизированному движению в фазе. Это хорошо видно на рис. 8 (а), где изображена ошибка синхронизации. Обратите внимание, что ошибка синхронизации полностью исчезает, тогда как в эксперименте, см. Рис. 4 (d), ошибка синхронизации остается в области около нуля, т.е. в экспериментах ошибка остается небольшой, но никогда не сходится к нулю. Этот результат, однако, очевиден, потому что в эксперименте неизбежны несоответствия между часами, тогда как для компьютерного моделирования часы считались идентичными.

Рисунок 8

Результаты моделирования для двух одинаковых маятниковых часов.

( a ) Ошибка синхронизации. ( b ) Частота колебаний, соответствующая связанной и синхронизированной маятнику. ( c ) Частота колебаний несвязанного маятника.

Результаты моделирования также показывают, что частота колебаний связанного и синхронизированного маятника составляет 0,4974 [Гц], тогда как частота колебаний несвязанного маятника равна 0.4997 [Гц], как показано на рис. 8 (b, c). Следовательно, как и в эксперименте, маятник замедляется.

В заключение, сравнивая экспериментальные результаты, представленные на рис. 3, и полученные численные результаты, представленные на рис. 4, становится очевидным, что производная модель (7) способна уловить динамическое поведение двух связанных монументальных часов, представленных на рис. 2.

Аналитические результаты

До сих пор начало синфазного синхронного движения в паре маятниковых часов было продемонстрировано с помощью экспериментов и компьютерного моделирования.Следующим шагом является проведение аналитического исследования, чтобы определить, когда и при каких условиях часы покажут асимптотически устойчивое синхронизированное движение .

Анализ начинается с допущения «малых» колебаний маятника, т.е. с учетом того, что cos θ i ≈ 1 и sin θ i ≈ θ i . Обратите внимание, что это действительно мягкое предположение, поскольку с помощью подходящей регулировки / конструкции спускового механизма можно удерживать амплитуду колебаний маятника часов в пределах небольшого значения.

Если предположение о малых колебаниях выполняется, то динамическое поведение системы (7) может быть проанализировано путем линеаризации системы вокруг начала координат. После линеаризации система (7) с входами (6) принимает вид

, где B 1 = αg (0) и B 3 = — αg (0), с f и g , как определено в (7) и α, как указано в (6).

Система (8) является кусочно-линейной (PWL) системой с правилом переключения, зависящим от состояния (помните, что θ i действительно является переменной состояния вектора состояния x , определенного в (7)).Обратите внимание, что система PWL (8) имеет 8 переключаемых поверхностей, то есть гиперплоскостей, на которых траектория «перескакивает» от одной подсистемы к другой. Однако, когда маятник синхронизирован, то есть θ 1 = θ 2 и количество переключающих поверхностей уменьшается до 4. Эти поверхности задаются как

, где a 1 = θ ref — ε, a 2 = θ ref + ε и векторы-строки C = [0 0 1 0 0 1 ] и, где и — векторы-строки нулей.

С учетом этих соображений можно получить достаточные и необходимые условия для существования изолированного синхронизированного периодического решения, то есть «синхронного предельного цикла» в системе PWL (8). Следующее предложение, которое можно легко доказать, следуя результатам, представленным в 36,37 , обеспечивает такие условия.

Предложение 1 Рассмотрим систему PWL (8). Предположим, что существует изолированное периодическое решение , i.е. предельный цикл с 4 переключениями за цикл , , как определено в (9), , так что траектория, начинающаяся от поверхности переключения S 1 , попадает в поверхности переключения S 2 в момент времени t 1 . Затем , траектория перемещается вперед от S 2 до S 3 дюймов 2 секунд , от S 3 до S 21 4 910 тонн 3 секунд , и, наконец, , от S 4 обратно к S 1 in t 4 секунд . Следовательно, , период решения предельного цикла равен . Определите

, где η 1 = — a 2 , η 2 = a 1 , η 3 = a 2 a 1 , с 1 и 2 , как указано в (9), и являются значениями решения предельного цикла на поверхностях переключения (9 ), и задаются как

с для i = 1, 2, 3, 4, z r = A −1 B

r

r , для r = 1, 3.

Тогда выполняются следующие условия:

, а периодическое решение определяется системой в интервале [0, t 1 ), системой в интервале [ t 1 , t 2 ), системой в интервале [ t 2 , t 3 ), и снова системой в интервале [ t 3 , t 4 ).

Предельный цикл, описанный в Предложении 1, проиллюстрирован на рис. 9. Траектория начинается от поверхности переключения S 1 при t = 0, т.е. Затем система переносит траекторию на поверхность переключения S 2 в момент времени t 1 посредством отображения φ 1 (·). После этого траектория проводится системой с начальным состоянием до тех пор, пока переключающая поверхность S 3 не достигнет точки t 2 .Затем траектория развивается согласно, то есть посредством отображения φ 3 (·), траектория приводится к переключающей поверхности S 4 в момент времени t 3 . Наконец, траектория возвращается к «уходящей» переключающей поверхности S 1 в момент времени t 4 через отображение φ 4 , которое связано с системой. Поскольку спусковой механизм работает симметрично, т. Е. Звуки «тик» и «так» воспроизводятся в часах на одинаковом расстоянии, моменты, когда достигаются поверхности переключения, также симметричны, так что t 3 = t 1 и т 4 = т 2 .

Рисунок 9

Предельный цикл в системе PWL (8).

С физической точки зрения предельный цикл на рис. 9 объясняется следующим образом. Первоначально спусковое колесо часов контактирует с анкерным спусковым механизмом и остается в этом положении в интервале ( t 0 , t 1 ). В этом интервале часы издают характерный «тиковый» звук. Затем спусковое колесо освобождается от анкерного спуска, и маятник часов свободно колеблется, т.е.е. в интервале есть период «молчания» ( t 1 , t 2 ) до тех пор, пока спусковое колесо снова не войдет в зацепление в момент времени t 2 . Якорный спусковой механизм остается в контакте со спусковым колесом в промежутке ( t 2 , t 3 ), производя звук «тактика». Как только спусковое колесо отпускается при t 3 , маятник возвращается в исходную точку, т. Е.снова есть период молчания в интервале ( t 3 , t 4 ) и, наконец, спусковое колесо включается при t 4 , т.е. цикл начинается снова.

Затем асимптотическая устойчивость предельного цикла, описанного выше, исследуется с помощью следующего предложения, которое основано на общем результате, полученном и доказанном в ссылках 36,37.

Предложение 2 Рассмотрим систему PLS (8) и предположим, что система имеет предельный цикл, как описано в Предложении 1. Определите

, где — это единичная матрица , — вектор-строка, как определено в (9), матрица , как указано в (8),,, и , с , i = 1, 2, 3, 4, , как определено в (12–15). Кроме того, , предполагают, что предельный цикл перпендикулярен переключающим поверхностям , , т.е. Cv i ≠ 0. Тогда , , если все собственные значения матрицы

содержатся внутри единичный круг , , то предельный цикл, описанный в Предложении 1 , является локально устойчивым, а в противном случае — нестабильным .

На основании вышеупомянутых утверждений верен следующий результат.

Теорема 1 Рассмотрим систему PWL (8). Если возможно найти наименьшее время t 1 , t 2 , t 3 = t 1 и t 4 = t
8022 910 , , удовлетворяющие условиям (16–18) в Предложении 1 и , одновременно , , удовлетворяющие

, где C sync = [0 0 1 −1 022 1 ], и с 0 0 и 0 1 , как определено в (9), , то выполняется следующее:

i.е. синфазное синхронное решение переменных состояния θ i ,, i = 1, 2, , которые соответственно описывают угловое смещение и угловую скорость связанного маятника , , существует . Кроме того, , частота колебаний этого синхронного решения составляет

Дополнительно , , если для полученных времен t i , i = 1, 2, 3, 4 собственные значения (20) содержатся внутри единичной окружности , , тогда синфазное решение (22) является локально асимптотически стабильным .

Здесь следует отметить, что значения t 1 , t 2 и t 3 = t 1 , t 4 = t 2 , удовлетворяющий условиям предложения (1) и условиям теоремы (1), не может быть получен в замкнутой форме отчасти из-за того, что количество переменных меньше количества уравнений. Лучшее, что мы можем сделать, — это численно решить (16) с учетом условий (17), (18) и (21).

Замечание 1 Аналитические результаты были получены для системы PWL (8). Однако в предположении «малых» колебаний маятника полученные результаты справедливы для исходной системы (7). Следовательно, при выполнении условий теоремы 1 можно ожидать, что монументальные часы будут синхронизироваться синфазно с частотой колебаний, примерно равной (23). Более того, ожидается, что такое синхронизированное движение будет локально асимптотически устойчивым.

Наконец, полученные аналитические результаты используются для исследования начала синхронизации в экспериментальной установке на рис.2 с моделью (7). Наименьшие значения для t i , удовлетворяющих теореме 1, получаются путем решения (16) с учетом условий (17), (18) и (21) и с учетом значений параметров, приведенных в таблицах 1 и 2. Это дает

С другой стороны, для полученных моментов времени (24) все собственные значения (20) содержатся внутри единичной окружности. Следовательно, из теоремы 1 следует, что синфазное синхронное движение в связанных монументальных часах на рис.2, как ожидается, будет локально асимптотически устойчивым, а частота колебаний синхронного решения, как ожидается, будет f в фаза = 1/ T = 1 / ( t 1 + t 2 + t 3 + t 4 ) = 1/2.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *