О, великий Максвелл! Однако маятник Максвелла не был им изобретен, а был только назван в его честь.
Это устройство используют для обучения школяров и студентов, им украшают оффисы, его дарят любознательным деткам. Идут годы, но только множатся всевозможные варианты этой научной игрушки!
Маятник Максвелла (иначе колесо Максвелла) известен как классическая иллюстрация превращения механической энергии.
Маятник состоит из диска, который закреплен на горизонтально оси, а ось подвешена с двух сторон на длинных нитях к опоре. Концы нитей закреплены на оси вращения. При накручивании нити на ось вращения и ее раскручивании маятник совершает колебательные движения вверх-вниз.
Для запуска маятника необходимо накрутить нити на ось, подняв таким образом маятник в наивысшую точку (потенциальная энергия здесь максимальна), а затем отпустить. Под действием силы тяжести маятник начнет опускаться вниз, все быстрее вращаясь, с постоянным ускорением.
Ускорение диска при его движении вниз не зависит от его массы и момента инерции, а зависит от соотношения радиуса оси вращения (r) и радиуса самого диска (R).
По мере движения вниз потенциальная энергия ранее поднятого маятника переходит в кинетическую энергию поступательного и вращательного движения. Опускания и подъемы диска со все уменьшающейся амплитудой повторяются много раз, пока маятник, наконец, не останавливается, т.к. весь первоначальный запас энергии в результате трения превращается в тепловую энергию.
Спустившись до самого низа — на сколько хватит длины нити (внизу кинетическая энергия маятника и его скорость максимальны), он продолжит вращение по причине инерции. При этом нити начнут накручиваться на ось вращения, и маятник станет подниматься вверх. Однако теперь он не достигнет первоначальной высоты, т.к. часть механической энергии маятник теряет за счет трения. Сделав несколько десятков колебательных движений (в зависимости от конструкции), маятник остановится.
В нижней точке траектории маятник за очень короткий промежуток времени меняет свое направление движения. Здесь нить маятника испытывает сильный рывок. Сила натяжения нити в этот момент возрастает в несколько раз. Эта дополнительная сила натяжения нити тем меньше, чем меньше радиус оси вращения, и тем больше, чем большее расстояние проходит маятник от начала движения до самой низшей точки. Если нить тонкая, то она может даже порваться.
Вместо обычного диска в маятнике Максвелла для вращения можно использовать и другие тела.
Так существует, например, физическая игрушка (есть и аналогичные ей), повторяющая принцип действия маятника Максвелла. Это разноцветный попугайчик, закрепленный, на оси вращения. Правда такая красивая игрушка приобретает и проблему. Фигурка не симметрична, поэтому конструктору требуется поразмыслить, как совместить центр тяжести попугайчика с центром вращения.
Уже многие годы существует и еще одна разновидность маятника Максвелла — Сизифов-маятник с намагниченной осью вращения.
Как должен работать этот маятник?
Имя Сизифа говорит само за себя.
Точно по середине тонкой намагничивающейся хромированной оси насажен сильный магнит не очень большого диаметра. На магнит одевается пластиковая шайба-диск. Две хромированные железные штанги-направляющие (длиной около 50 см) закреплены на основании в вертикальном положении таким образом, что расстояние между ними внизу чуть больше длины оси с диском. К верху устройства расстояние между штангами слегка сужается.
Проследим, как работает этот маятник. Сначала надо симметрично приставить ось с диском к штангам вверху с одной или с другой стороны и отпустить ее. Притягиваясь к железу, намагниченная ось с диском под действием силы тяжести начинает сначала медленно, а затем все быстрее скатываться, вращаясь, по штангам вниз.
В зависимости от того, с какой стороны приставлена ось с диском к штангам, вращение диска будет вправо или влево. Возникшее в результате намагничивания притяжение оси к штангам обеспечивает не просто падение вниз, а вращение диска. Когда при скатывании диска вниз, расстояние между штангами становится чуть больше длины оси, то ось с диском проскакивает между штангами и попадает на их другую сторону. Сохранив направление вращения, диск, имеющий внизу максимальную скорость, проскальзывает между штангами на другую сторону и начинает подниматься вдоль них вверх.
Это изменение направления движения диска полностью соответствует принципу движения классического маятника Максвелла. Разница состоит лишь в том, что трение намагниченной оси о штанги в этом случае зависит от силы намагничивания. Она должна быть при выборе конструкции маятника строго рассчитана, чтобы ось с диском не сорвалась в самой нижней точке своего движения.
Всем, как говорится, хороши и маятник Максвелла, и Сизифов-маятник, одно плохо, покачавшись некоторое время, они все-таки останавливаются.
И тут интересен еще один вариант маятника, который волшебным способом будет крутиться, как покажется стороннему наблюдателю, сколько душе угодно! Он так и называется «волшебный маятник» (Magic rail twirler). Незаметные движения рук, и маятник никогда не остановится! Конечно, это шутка…
«Волшебный маятник» – это еще один вариант игрушки маятника Максвелла. В этом маятнике «легким нажатием руки» штанги можно раздвинуть, и диск поменяет направление своего движения. На хромированных направляющих штангах располагается диск с магнитной осью, концы которой часто выполнены в виде конусов. При работе игрушки очень хорошо видно, как меняется направление движения диска при увеличении расстояния между направляющими. Незаметным движением руки можно компенсировать потери энергии и достичь более многократного колебания диска вверх-вниз или из стороны в сторону. Более современные модели игрушек оснащены даже подсветкой изнутри диска.
Вот так имя великого физика соединило детскую научную игрушку и серьезный физический прибор.
Если захотите поэкспериментировать с маятником Максвелла, то сделать его в наше время не очень и трудно. Берете лазерный диск, скручиваете из листа школьной тетради трубочку и вставляете в центр диска. Трубочка слегка разворачивается и заполняет бумагой все отверстие. Отрезаете две одинаковые нити покрепче и капаете клеем, приклеивая нити к концам трубочки и центр диска к середине трубочки. Осталось подвесить….
А для детских умов знаменитый Я.И. Перельман загадал когда-то физическую загадку:
«Нити маятника Максвелла прикреплены к пружинному безмену.
Что должно происходить с указателем безмена в то время, когда диск-маховик исполняет свой танец вверх и вниз?
Останется ли указатель в покое?
Если будет двигаться, то в какую сторону?»
Если вам не удалось сразу отгадать, то ответ Перельмана таков:
«Когда диск опускается ускоренно вниз, чашка, к которой прикреплены нити, должна подниматься, так как освобождаемые нити не увлекают ее вниз с прежней силою.
Когда же диск-маховик поднимается замедленно вверх, то он натягивает наматывающиеся на его ось нитки, и они увлекают чашку вниз.
Короче говоря, чашка и привязанный к ней диск-маховик движутся навстречу друг к другу».
А вы как думали?
Источник: частично журн. «Physik in unserer Zeit».
Презентация была опубликована 6 лет назад пользователемlistvyankasosh.ucoz.ru
Похожие презентации
Презентация 9 класса на тему: "Изготовление прибора «Маятник Максвелла» Ученик 9 класса Шамсудинов Михаил.". Скачать бесплатно и без регистрации. — Транскрипт:
1 Изготовление прибора «Маятник Максвелла» Ученик 9 класса Шамсудинов Михаил
2 Проблема: Недостаточное оснащение приборами кабинета физики
3 Цель работы: Изготовить прибор «Маятник Максвелла», тем самым расширить демонстрационную базу кабинета физики
4 1. Создание технического проекта: Чертеж деталей с указанием размеров. Выбор материалов и способа их обработки Знакомство с правилами техники безопасности при работе 2. Подбор теоретического материала 3. Изготовление прибора
5 Техническое устройство: Описание прибора «Модель маятника Максвелла» Модель маятника Максвелла позволяет демонстрировать взаимный переход потенциальной энергии в кинетическую и обратно. Устройство прибора Прибор состоит из маятника, нити и стержня подвеса. Маятник представляет собой пластмассовый диск, который жестко насажен на ось. На поверхности диска есть круглые отверстия позволяющие наблюдать за быстротой вращения диска. На концах оси имеются отверстия для закрепления нитей подвеса.
6 Стержень подвеса снабжен двумя винтами для удержания двух нитей подвеса на определенном расстоянии друг от друга. Для работы с прибором необходим универсальный штатив, с помощью которого стержень подвеса закрепляется горизонтально на необходимой высоте. Технические характеристики: 1.Диаметр диска – 96мм 2.Толщина диска – 10мм 3.Длина оси – 210мм 4.Диаметр оси – 3мм 5.Длина нити подвеса – 295мм
7 Технический рисунок прибора «Маятник Максвелла»
8 Физическая теория Практическое применение прибора Маятник Максвелла предназначен для проведения демонстрационных экспериментов при изучении раздела «Механика» курса физики средней общеобразовательной школы. Опыт 1. Понятие инерции Установку располагают на демонстрационном столе так, чтобы ученикам была хорошо видно круглое отверстие на поверхности диска. Маятник переводят в верхнее положение, наматывая нити подвеса на ось, и удерживают рукой. Ученикам предлагают ответить на вопрос : «Что изменится в движении маятника после того, как он окажется в нижнем положение ?», Возможные ответы : «остановится», «станет» подниматься, в противоположную сторону » проверяются экспериментально. Маятник отпускают, а учеников просят обратить внимание на направление вращения диска. Отмечают, что маятник, оказавшись в нижнем положении, и это привело к тому, что нити подвеса стали наматываться на ось, а маятник начал подниматься вверх. Результат опыта, наряду с другими наблюдениями, используется для иллюстрации понятий «инерция» и «инертность»
9 Практическое применение прибора Опыт 2. Преобразование одного вида механической энергии в другой. Маятник переводят в верхнее положение, наматывая нити подвеса на ось, и удерживают рукой. Вместе с учениками отмечают, что маятник, находясь неподвижно на некоторой высоте, обладает определенным запасом потенциальной энергии. Затем маятник отпускают, а ученикам предлагают обратить внимание на то, как зависит скорость его вращения и скорость поступательного движения его центра масс от высоты над столом. После того, как маятник 2-3 раза опустится вниз и поднимется вверх, опыт прекращают.Обсудив с учащимися результаты, наблюдений, сформулируйте, как изменились во время движения его потенциальная и кинетическая энергия. Обратите внимание учащихся на то, что кинетическая энергия маятника Максвелла складывается из энергии его вращения и энергии поступательного движения его центра масс.
10 Практическое применение прибора Опыт 3. Наблюдение затухающих колебаний Рядом с маятником на демонстрационном столе размещают вертикально демонстрационный метр. На нем отмечают деление, напротив которого маятник Максвелла находится в нижнем положении. Затем маятник переводят в верхнее положение. На демонстрационном метре делают еще одну отметку. Напомните учащимся определение амплитуды колебаний и объясните, что расстояние между метками равно начальному смещению маятника от положения равновесия. Отпустите маятник и попросите учащихся обратить внимание на то, что как будет изменятся амплитуда его движения с течением времени. После того, как движение маятника вниз – вверх прекратится, предложите учащимся сформулировать результаты наблюдений. Подчеркните, что движение маятника Максвелла является примером затухающих колебаний.
11 Список литературы: «Техническое творчество» Пособие для руководителей кружков. – М.: Молодая гвардия, 1955, с.132. Приложение к журналу «Первое сентября». Физика 20/2000 год.
Поздравления с праздником, подарки, стихи, тосты, юмор.
Маятник представляет собой диск, закрепленный на горизонтальной оси, которая с двух сторон подвешена на длинных нитях к опоре. Что бы запустить маятник Максвелла нужно на ось накрутить нити, подтянуть маятник в наивысшую точку, а затем отпустить.
Под действием силы тяжести маятник начнет опускаться вниз, вращаясь маятник получает ускорение.
Опустившись до конца нити, маятник продолжит вращение по инерции, накручивая на ось нить в результате чего маятник поднимется вверх.
Чтобы сделать маятник Максвелла своими руками, приготовьте такие материалы:
Трубка
Диск или любой круг с отверстием
Нить 1-2 метра и ножницы 
У меня не оказалось под рукой готовой трубки, поэтому я решил скатать лист бумаги таким образом:
Чтобы бумага не размоталась, я склеил ее скотчем.
Если у меня диск будет болтаться на трубке, маятник не станет крутиться. Поэтому нужно выбирать трубку ровно под толщину отверстия в круге.
Когда у меня появилась трубочка, я решил сделать прорези для нитей. После этого я привязал нить с одной стороны, затем вставил диск и наконец закрепил нитку с другой стороны.
Маятник готов, осталось лишь проверить, как он работает.