Fyzikální experimenty podporované počítačem



Podobné dokumenty
Závěrečná práce studentského projektu

Měření modulů pružnosti G a E z periody kmitů pružiny

( r ) 2. Měření mechanické hysterezní smyčky a modulu pružnosti ve smyku

1. Měření hodnoty Youngova modulu pružnosti ocelového drátu v tahu a kovové tyče v ohybu

Experimentální realizace Buquoyovy úlohy

1. Teorie. jednom konci pevně upevněn a na druhém konci veden přes kladku se zrcátkem

Ukončení programu ISES se provádí prostřednictvím menu programu: Experiment Konec nebo podobně jako u ostatních aplikací OS Microsoft Windows.

Střední průmyslová škola strojírenská a Jazyková škola s právem státní jazykové zkoušky, Kolín IV, Heverova 191

ZKOUŠKA PEVNOSTI V TAHU

PRAKTIKUM... Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK. Odevzdal dne: Seznam použité literatury 0 1. Celkem max.

A mez úměrnosti B mez pružnosti C mez kluzu (plasticity) P vznik krčku na zkušebním vzorku, smluvní mez pevnosti σ p D přetržení zkušebního vzorku

PRAKTIKUM I. Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecně fyziky MFF UK. úlohač.11 Název: Dynamická zkouška deformace látek v tlaku

Vlastnosti a zkoušení materiálů. Přednáška č.9 Plasticita a creep

2.4.6 Hookův zákon. Předpoklady: Podíváme se ještě jednou na začátek deformační křivky. 0,0015 0,003 Pro hodnoty normálového napětí menší než σ

Voigtův model kompozitu

STRUKTURA A VLASTNOSTI PEVNÝCH LÁTEK

3.2 Základy pevnosti materiálu. Ing. Pavel Bělov

4 Viskoelasticita polymerů II - creep

6. Viskoelasticita materiálů

STRUKTURA A VLASTNOSTI PEVNÝCH LÁTEK

Reologické modely technických materiálů při prostém tahu a tlaku

Seriál VII.III Deformace, elasticita

Název: Měření rychlosti zvuku různými metodami

Vybrané okruhy znalostí z předmětů stavební mechanika, pružnost a pevnost důležité i pro studium předmětů KP3C a KP5A - navrhování nosných konstrukcí

1. Změřte modul pružnosti v tahu E oceli z protažení drátu. 2. Změřte modul pružnosti v tahu E oceli a duralu nebo mosazi z průhybu trámku.

PRAKTIKUM I. Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK. úloha č. 11 Název: Dynamická zkouška deformace látek v tlaku

Test A 100 [%] 1. Čím je charakteristická plastická deformace? - Je to deformace nevratná.

Odpor vzduchu. Jakub Benda a Milan Rojko, Gymnázium Jana Nerudy, Praha

Vlastnosti a zkoušení materiálů. Přednáška č.3 Pevnost krystalických materiálů

NÁVRH A REALIZACE ÚLOH DO FYZIKÁLNÍHO PRAKTIKA Z

PRAKTIKUM II Elektřina a magnetismus

Školní fyzikální laboratoře současnosti a budoucnosti

Co by mohl (budoucí) lékař vědět o materiálech tkáňových výztuží či náhrad. 20. března 2012

TENZOMETRY tenzometr Použití tenzometrie Popis tenzometru a druhy odporovými polovodičovými

Materiálové vlastnosti: Poissonův součinitel ν = 0,3. Nominální mez kluzu (ocel S350GD + Z275): Rozměry průřezu:

7 Lineární elasticita

Výukové texty pro předmět Měřící technika (KKS/MT) na téma Tvorba grafické vizualizace principu měření tlaku (podtlak, přetlak)

Fyzikální praktikum II

9 OHŘEV NOSNÍKU VYSTAVENÉHO LOKÁLNÍMU POŽÁRU (řešený příklad)

Ing. Jan BRANDA PRUŽNOST A PEVNOST

Pružnost, pevnost, tvrdost, houževnatost. Jaký je v tom rozdíl?

2 MECHANICKÉ VLASTNOSTI SKLA

Název: Pozorování a měření emisních spekter různých zdrojů

KONSTITUČNÍ VZTAHY. 1. Tahová zkouška

Easy to use remote experiments WITHOUT laboratory systems. doc. RNDr. František (Jiří) (ISES) Lustig, CSc., MFF-UK Praha

Zapojení odporových tenzometrů

Téma: Měření Youngova modulu pružnosti. Křivka deformace.

Pevnost kompozitů obecné zatížení

Navrhování konstrukcí z korozivzdorných ocelí

Pevnost v tahu vláknový kompozit. Technická univerzita v Liberci Kompozitní materiály, 5. MI Doc. Ing. Karel Daďourek 2008

Viskoelasticita. určeno pro praktikum fyziky Jihočeské univerzity, verze

Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK. Posuzoval:... dne:...

Systém vykonávající tlumené kmity lze popsat obyčejnou lineární diferenciální rovnice 2. řadu s nulovou pravou stranou:

Analýza zkušebních rychlostí podle EN ISO

Tabulka I Měření tloušťky tenké vrstvy

Odhad změny rotace Země při změně poloměru

Úloha č.1: Stanovení molární tepelné kapacity plynu za konstantního tlaku

Mechanika kontinua. Mechanika elastických těles Mechanika kapalin

Pevnost v tahu vláknový kompozit

Pružnost a pevnost I

EXPERIMENTÁLNÍ MECHANIKA 2

SCLPX 07 2R Ověření vztahu pro periodu kyvadla

8 Elasticita kaučukových sítí

PRAKTIKUM II Elektřina a magnetismus

OTÁZKY VSTUPNÍHO TESTU PP I LS 2010/2011

PRAKTIKUM III. Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK. Pracoval: Jan Polášek stud. skup. 11 dne

Jednoduchá metoda pro návrh ocelobetonového stropu

ZÁKLADNÍ PŘÍPADY NAMÁHÁNÍ

Základní pojmy. p= [Pa, N, m S. Definice tlaku: Síla působící kolmo na jednotku plochy. diference. tlaková. Přetlak. atmosférický tlak. Podtlak.

Experimenty z Interaktivní fyzikální laboratoře - rotující soustavy

Nespojitá vlákna. Nanokompozity

NESTABILITY VYBRANÝCH SYSTÉMŮ. Úvod. Vzpěr prutu. Petr Frantík 1

Převodníky fyzikálních veličin (KKY/PFV)

MECHANIKA PODZEMNÍCH KONSTRUKCÍ PODMÍNKY PLASTICITY A PORUŠENÍ

Inovace a zkvalitnění výuky prostřednictvím ICT Kontrola a měření strojních součástí a jejich polotovarů Pevnostní zkouška statická na tah

Příloha č. 3 Technická specifikace

VLIV TUHOSTI PÍSTNÍHO ČEPU NA DEFORMACI PLÁŠTĚ PÍSTU

12. Struktura a vlastnosti pevných látek

Měření momentu setrvačnosti prstence dynamickou metodou

OVMT Mechanické zkoušky

Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK. Praktikum IV

1. Změřte průběh intenzity magnetického pole na ose souosých kruhových magnetizačních cívek

Fyzikální praktikum 1

Výpočet sedání kruhového základu sila

Přehled modelů cyklické plasticity v MKP programech

Mezi krystalické látky nepatří: a) asfalt b) křemík c) pryskyřice d) polvinylchlorid

Nelineární problémy a MKP

Fyzikální praktikum II

Vybrané experimenty v rotujících soustavách

Části a mechanismy strojů 1 KKS/CMS1

VLIV REAKTOROVÉHO PROSTŘEDl' NA ZKŘEHNUTI' Cr-Mo-V OCELI

I Mechanika a molekulová fyzika

Nespojitá vlákna. Technická univerzita v Liberci kompozitní materiály 5. MI Doc. Ing. Karel Daďourek 2008

Úloha I.E... tři šedé vlasy dědy Aleše

Zadání vzorové úlohy výpočet stability integrálního duralového panelu křídla

PRAKTIKUM II. Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK. úlohač.5 Název: Měření osciloskopem. Pracoval: Lukáš Ledvina

5.0 ZJIŠŤOVÁNÍ FÁZOVÝCH PŘEMĚN

Vlníme podélně i příčně

Zde je uveden abecední seznam důležitých pojmů interaktivního učebního textu

Transkript:

Fyzikální experimenty podporované počítačem František Lustig, Milan Rojko, ČR Abstrakt Příspěvek popisuje jednoduché školní fyzikální deformační experimenty ve spojení s počítačem při použití školního experimentálního systému ISES a programu FAMULUS. 1. Úvod O rovnocenné roli poznatkové, metodologické a operační složky výuky fyziky dnes asi nikdo z didaktiků fyziky pochybuje. Přesto ale výuka fyziky metody práce skutečné fyziky prezentuje spíš vyjímečně. Častěji jsou studentům předkládány hotové, navíc zobecněné výsledky, bez onoho téměř detektivního pátrání, které dělá fyziku tak přitažlivou. Na čtyřech příkladech s deformačními experimenty později ukážeme, jak lze použitím systému ISES přiblížit výuku fyziky skutečné fyzice. Jmenovaný systém je v České republice nejrozšířenější. V současné době je na českých školách více než 3 instalací. Systém tvoří nejen hardware (ADDA převodník a více než 2 čidel), ale i software a teachware [2], [3], [4] zahrnující podrobný popis více než 15 experimentů z fyziky, chemie a biologie. Systém umožňuje měření fyzikálních závislostí a jejich zobrazení v grafickém a digitálním módu a umožňuje zpracování naměřených dat (aproximace, derivace, integrace aj.). Tato data lze dále zpracovávat např. v tabulkových procesorech (Excel, Quattro) nebo v modelovacím systému Famulus. Křivka zpevnění pryže Typický průběh deformační křivky při plastické i elastické deformaci různých materiálů se uvádí téměř ve všech středoškolských i vysokoškolských učebnicích fyziky. S využitím systému ISES můžeme tyto závislosti na vhodně zvolených materiálech skutečně proměřit a vyhodnotit pomocí výpočetní techniky, například s využitím programu FAMULUS. Na obrázku 1 je schematicky zakresleno zařízení, kterým jsme měřili a registrovali chování různých vláken při napínání konstantní deformační rychlostí. Použitým siloměrem byl příslušný modul školního experimentálního systému ISES [1]. Měření síly tímto modulem je založeno na optickém snímání deformace ocelového nosníku, na kterém je jeden konec vzorku připevněn. Rovnoměrné prodlužování vlákna se děje navíjením Obr.1 vláken na prodlouženou hřídel krokového elektromotorku. Vložíme-li vzorek do skleněné trubice s topnou spirálou můžeme případně studovat i vliv teploty na průběh deformace. Použitý pryžový vzorek měl počáteční délku L o =.18 m, průměr = 1 mm a byl natahován při teplotě 25 C rychlostí (absolutní rychlost deformace).157 m.s -1 danou periodou otáček motorku (T o = 1 s ) a průměrem navíjecí osičky ( d o = 5 mm). K časovým souřadnicím nebylo pak obtížné přiřadit odpovídající relativní prodloužení ε vzorku. S tahovým napětím σ však není záležitost tak jednoduchá, neboť při natahování pryžového vlákna se jeho tloušťka, a s ní i plošný obsah průřezu, stále víc a víc zmenšuje.

Při přepočtu jsme vyšli z předpokladu, že se v průběhu celé deformace nemění objem vzorku, což je v případě pryže velmi dobře splněno (Poissonovo číslo je přibližně rovno 1/2). Každé uspořádané dvojici (i, F) můžeme tedy přiřadit dvojice (ε, σ) užitím vztahů πd ε = i. (1) σ = FL fvtl S L (2) i... pořadové číslo měřené hodnoty síly F... tahová síla ε.= L/L o... relativní prodloužení L o...počáteční délka vzorku vzorku f v... vzorkovací frekvence σ... tahové napětí na T o... perioda otáček motorku S o...počáteční obsah průřezu vzorku d o... průměr tažné osičky L...okamžitá délka vzorku V technické praxi, u materiálů které jsou mnohem méně elastické než pryž, se často tahové napětí přepočítává v celém průběhu na původní průřez S o tak, jako by se průměr vzorku při deformaci neměnil. Průběhy registrační křivky a skutečného resp. smluvního tahového napětí pro zkoumané pryžové vlákno jsou na obrázcích 2 a 3. SKUTEČNÉ NAPĚTÍ SMLUVNÍ NAPĚTÍ Obr.2 Obr.3 Závislost σ(ε), kterou jsme pro pryžové vlákno zjistili, má až k bodu (ε U =1,8 ;σ U = 4,5.1 6 Pa) (mez úměrnosti) lineární průběh σ = 2,5.1 6 Pa. ε. Platnost Hookova zákona končí, dosáhne-li vlákno přibližně 28 % původní délky. Zjišťovali jsme také, jak se na průběhu deformační křivky projeví vyšší teplota. Výsledky měření s pryžovými vlákny při teplotě 25 C a teplotě 125 C jsou na obrázku 4. Obr.4 Obr.5

Je vidět, že uvedené zvýšení teploty vede ke zvýšení hodnoty Youngova modulu. Na obrázku 5 je křivka, popisující průběh napětí při natahování vzorku až k relativnímu prodloužení ε = 4,1 a následnému uvolňování stejnou rychlostí. Křivka kontrakce je od křivky dilatace odlišná, materiál vykazuje hysterezi. Napěťová relaxace cínové pájky Zajímavé je pozorování chování vzorků při přerušení deformace. Na obrázku 6 je zachycen průběh pokusu, kdy byl zpočátku cínový drátek plasticky deformován a po dosažení určitého napětí byla deformace zastavena. Dále jsme sledovali jen průběh poklesu napětí s časem. Ukážeme jak v tomto případě můžeme hledat analytické vyjádření funkce σ(t) (obr.7), popisující závislost úbytku napětí σ na čase a připomínající tvarem logaritmickou křivku. Obr.6 Obr.7 Funkci σ(t) zobrazíme v semilogaritmických souřadnicích, tj. nahradíme funkcí σ(ln t). Průběh je pro větší čas přibližně lineární. Pro dosažení linearity i v počáteční části je zřejmě potřeba zvětšit čas o konstantu t vhodné hodnoty tak, aby i počáteční část grafu sledovala lineární průběh části koncové. Toto hledání ilustruje obrázek 8. Obrázek 9 konfrontuje průběh σ EXPERIMENT na čase a nalezenou funkce σ(t) = s.ln(1+ t/t o ), kde s a t jsou empirické konstantní veličiny, jejichž hodnoty udává lineární graf na obr. 8. Obr.8 Obr.9 Deformace vzpěrem

Uspořádání pokusu je na obr.1. Vzorek je sevřen mezi rameno modulu siloměr a opěrný čep na obvodu kotouče motorku. Rychlost vzpírání dosahovala 3,7 mm.s -1. Časové závislosti působící síly pro nosníky představované ocelovým drátem a dřevěnou špejlí jsou na obr. 11 a 12 u nichž je pro názornost zakresleno i to, jak vzorky postupně vybočují. Průběhy ukazují počáteční růst tlakové síly, při němž k vybočování nedochází. Po dosažení kritické hodnoty F E (Eulerova síla) začnou nosníky vybočovat. Přitom se deformující síla téměř nemění. Lze odvodit [6], že velikost Eulerovy síly je Obr. 1 dána materiálem (E), plošnými momenty setrvačnosti nosníků a druhou mocninou jejich délky. Obr.11 Obr.12 Plošná deformace pouťového balónku Závislost relativní plošné deformace S/ S pryžové blány na jejím napětí σ lze vyšetřovat při nafukování pouťového balónku (obr.13). I v tomto případě jsme použili systém ISES, jehož tlakovým modulem jsme snímali průběh přetlaku v balónku, v závislosti na přírůstku r jeho počátečního poloměru r. Vzduch do balónku jsme vháněli vibračním akváriovým čerpadlem. K průběžnému zaznamenávání velikosti balónku jsme Obr. 13 použili vodní potenciometr, kterým byly lineární změny velikosti určovány z přírůstků elektrického napětí.

Pro kulový balónek lze snadno odvodit vztahy pro relativní plošné zvětšení ε S a napětí σ: ε S S r = = S + r r 2 ( r + r) 1 (3) resp. σ = 2 2r. b 3 p (4) Změřená závislost přetlaku v balónku je na obr. 14. Příslušnou závislost relativního přírůstku povrchu na napětí v bláně ukazuje obrázek 15. Překvapivé přitom je, že z tohoto kuriózního průběhu přetlaku jsme získali deformační křivku standardního průběhu. Obr.14 Obr.15 Závěr: Uvedené příklady ukazují, jak lze s pomocí ISESu výuku fyziky přiblížit skutečné fyzice s důrazem na její metody. Resume: This paper describes simple quantitative physical schoolexperiments on deformation with a help of PC, Intelligent School Experimental System - ISES and program FAMULUS. Literatura: [1] Lustig, F., Lustigová, Z., Vlášek, P.: ISES příručka k soupravě Školní experimentální systém, Praha,1992 [5] Dvořák, L., et all.: FAMULUS 3.5 (příručka uživatele) Praha, Comp.Equipment, Famulus Etc. 1992 [6] Horák, Z., Krupka F., Šindelář V.: Technická fyzika SNTL Praha, 196. s.31 [7] Svoboda, E.: Vyučovací metody ve fyzice. Sborník semináře s mezinárodní účastí Praha, MFF UK, 1987, s.8 Kontaktní adresa: Doc. RNDr. Milan Rojko, CSc. MFF UK Praha Ke Karlovu 3 121 16 Praha 2 e-mail: MFKDF@plk.mff.cuni.cz