Учёба. Образование

 Техническое творчество

 Издательство ЦК ВЛКСМ «Молодая Гвардия» 1955 г.

Свою практическую работу в кружке юные физики начинают с изготовления простейших приборов и моделей, которые являются их первым шагом на пути к конструированию. Поэтому в этой главе мы даем описание не только сложных моделей, но и простейших.

При постройке моделей руководитель должен помнить, что размеры и отдельные узлы приведенных в этой главе моделей и приборов могут быть усложнены или переработаны в зависимости от творческих замыслов конструктора.

ПРОСТЕЙШИЕ ПРИБОРЫ И МОДЕЛИ ПО ФИЗИКЕ

Модель блочных весов (рис. 9). Прибор состоит из деревянного блока диаметром 300 мм, в котором у края окружности выпилено отверстие диаметром 50 мм и залито свинцом. По окружности блока выбрана канавка, по которой движется бечевка. Один конец бечевки наглухо закреплен на блоке, к другому концу подвешена чашка весов. Через отверстие в центре блок при помощи винта привернут к вертикальной деревянной стойке так, чтобы он мог легко вращаться. Высота стойки 600 мм, сечение 50X^0 мм. Стойка прибивается к деревянному основанию размером 200X200 мм. После изготовления весы градуируются с помощью гирек различного веса. Гирьки накладывают на чашку весов, а на шкале, наклеенной на диск, пишут цифру каждого деления в граммах. Около шкалы на стойке укрепляется стрелка-указатель.

Модель реактивной тележки (рис. 10). Этот прибор демонстрирует третий закон Ньютона. Тележка прибора, на которой укреплена стеклянная пробирка, выгибается из толстой жести или алюминия. Приблизительные размеры тележки: длина 120 мм, ширина 70 мм. В качестве колес могут быть использованы катушки от ниток или от фотопленки, вращающиеся на осях из проволоки диаметром 3—4 мм. При нагревании воды при помощи спиртовки пар, образовавшийся в пробирке, выбрасывает пробку, и тележка откатывается назад. При демонстрации  опыта  необходимо  принять меры предосторожности и не забивать пробку очень туго, иначе возможен разрыв пробирки.

На горизонтальном основании прибора укреплен подковообразный электромагнит, сердечник которого можно согнуть из железного стержня длиной 120 мм и диаметром 10—12 мм или собрать из полосок жести. Сердечник на концах ровно опиливается, и на каждый его керн, оклеенный бумагой, наматывается 5 рядов медной проволоки диаметром от 0,5 до 0,8 мм в любой изоляции (рис. 11).

Посредине основания установлена деревянная стойка, к которой привернут свободно качающийся рычаг. На одном конце рычага точно над сердечником электромагнита укреплена железная пластинка, на другом — карандаш.  Слева  от  вертикальной стоики рычаг оттягивается пружиной, регулирующей расстояние между пластиной и электромагнитом. При включении тока пластинка притягивается к электромагниту и карандаш прикасается к бумажной ленте, двигающейся между двумя деревянными роликами, укрепленными на второй вертикальной стойке.

Бумажная лента сматывается с катушки, укрепленной на верхнем конце первой стойки, и наматывается на катушку второй стойки. Для передвижения ленты применяют самодельный электромотор или часовой механизм. Для демонстрации работы телеграфа нужно построить два прибора с добавлением к ним телеграфных ключей. При включении тока в электромагнит последний притягивает пластинку рычага, и в зависимости от длительности включения тока карандаш оставляет на бумажной ленте знаки в виде точки или черточки, комбинация которых воспроизводит буквы телеграфной азбуки.

Простейший измерительный прибор. Работа прибора основана на принципе использования способности соленоида при прохождении через его обмотку электрического тока втягивать железный сердечник. В зависимости от силы тока сердечник втягивается- в катушку на разную глубину и с помощью рычага и стрелки указывает на шкале силу проходящего через катушку тока.

Основная деталь прибора (рис. 12) — катушка соленоида — склеивается из картона или вытачивается из дерева. Размеры катушки зависят от масштаба прибора. Внутренний диаметр катушки равен 6—10 мм.

В катушку свободно, но не болтаясь, входит цилиндрик,. спаянный из жести. Коромысло (рычаг), на котором укреплен цилиндрик, имеет в центре ось, вращающуюся в подшипнике, сделанном из полоски латуни. На одном конце коромысла укреплен цилиндрик, другой конец коромысла удерживается пружиной или полоской резины, натянутой так, чтобы цилиндрик при обесточенной катушке входил в нее на 3—4 мм.

При использовании прибора в качестве амперметра на катушку наматывается 80—100 витков провода диаметром 1—2 мм в любой изоляции. При использовании прибора в качестве вольтметра на катушку наматывается 500—600 витков провода диаметром 0,2—0,3 мм.

Прибор должен быть отградуирован по лабораторному прибору и может быть использован для простейших измерений и лабораторных работ.

Модель паровой турбины (рис. 13). Модель состоит из большого горизонтально установленного котла, в качестве которого используется хорошо пропаянная жестяная консервная банка, паровой турбины, заключенной для получения большего коэффициента полезного действия в кожух, и паропровода — трубки, соединяющей котел с турбиной. Колесо турбины делается из жести, вырезанной в форме круга диаметром 80 мм. По радиусам круга делаются прорезы, и кусочки жести, образовавшиеся между прорезами, изгибаются в форме лопаток. На оси ротора турбины устанавливается шки-вок, который. можно использовать для приведения в действие небольшой модели. Для подогрева воды используются спиртовки.

Модель рычажных весов (рис. 14). В приборе для показания веса использован Г-образный рычаг, один конец которого является стрелкой-указателем, на втором конце укреплена чашка .весов. Конструкция прибора ясна из рисунка.

Модель маятника Максвелла с динамометром (рис. 15). Прибор иллюстрирует закон механики: превращение потенциальной энергии в кинетическую и обратно. Соединение маятника с динамометром позволяет поставить чрезвычайно интересную задачу для юных физиков: что будет показывать стрелка динамометра при движении маховичка маятника вверх и вниз

Биметаллическое реле (рис. 16). Прибор предназначен для демонстрации неодинакового теплового расширения различных металлов.

На основании прибора, изготовленного из деревянной дощечки или толстой фанеры, укреплены патрон с лампочкой на 120 в н деревянная стойка, по которой перемещается деревянный брусок с биметаллической пластинкой. Пластинка состоит из полосок железа и цинка, склепанных вместе медными или железньвми заклёпками. Длина полосок 150 мм, ширина 10 мм, толщина от 0,3 до 1 мм. Одним своим концом биметаллическая пластинка привертывается шурупа:;: к деревянному бруску   цинковой полоске вниз, ко второму концу пластинки приклепывается изогнутый дугообразно контакт из медной проволоки.

Когда прибор в нерабочем положении, проволочный контакт прикасается к медной или железной полоске, укрепленной на том же бруске, над биметаллической пластинкой. Биметаллическая и контактная пластинки включены последовательно в цепь электрической лампочки мощностью 200 вт.

Включенная электролампочка своим теплом нагревает расположенную над ней биметаллическую пластинку, которая изгибается в сторону металла, обладающего большим коэффициентом теплового расширения, и отключает проволочный контакт от контактной пластинки. Лампа гаснет, биметаллическая пластинка остывает, принимает горизонтальное положение, затем опять включает лампочку, и все явления повторяются. Таким _образом, лампочка периодически гаснет и загорается. Частота миганий может регулироваться изменением расстояния между биметаллической пластинкой и лампочкой при помощи передвижения деревянного бруска по стойке.

При изготовлении биметаллических реле большое внимание следует уделить изготовлению контактов, с помощью которых происходит замыкание и размыкание электрической цепи с лампочкой.

Образуемая при этом искра сильно разрушает материал контактов, они быстро изнашиваются и окисляются, что влечет за собой нарушение нормальной работы всего реле.

Наиболее устойчивым материалом для контактов является серебро.

Поэтому в тех случаях, когда реле должно работать особенно надежно, к биметаллическим пластинкам приваривается небольшая пластинка из серебра. Электрическая нагрузка на контакты не должна превышать 30—35 вт.

Прибор для демонстрации теплового расширения металлического стержня (рис. 17). Прибор состоит из деревянного основания с двумя стойками. На гвозде, вбитом в среднюю стойку и служащем осью, вращается фигурная стрелка, изготовленная из железной полоски толщиной около 1 мм. На одном конце в выступ, выпиленный у основания стрелки, с небольшим трением входит металлический стержень диаметром от 3 до 5 мм. Другой конец стержня вложен в паз второй стойки.

Подогревая стержень над спиртовкой, мы замечаем, как он удлиняется. Степень удлинения стержня фиксируется заостренным концом стрелки, скользящей по циферблату.

Вставляя в прибор стержни, изготовленные из разных металлов, можно наглядно показать их различное тепловое расширение.

Электросирена (рис. 18). Прибор позволяет очень наглядно продемонстрировать магнитное поле переменного тока. Работа его сопровождается звуковым эффектом.

В центре деревянного основания прибора укреплен электромагнит, состоящий из железного стержня диаметром 10—12 мм и длиной 50 мм. На стержень надета катушка, склеенная из картона с обмоткой из медной изолированной проволоки диаметром 0,4—0,5 мм. Необходимое количество витков — 2 000.   Над   электромагнитом  на трех стойках укреплена открытая сверху круглая коробка из жести (молено использовать консервную банку). Дно коробки должно отстоять от плоскости стержня электромагнита на 2—3 мм.

При включении электромагнитов в сеть переменного тока 120 в дно коробки начинает вибрировать с частотой тока и издает резкий звук. Громкость звука регулируется изменением расстояния между дном коробки и электромагнитом.

Счетчик оборотов. В практике работы физико-технического кружка часто необходимо подсчитать количество оборотов изготовленного электромотора, витки наматываемого трансформатора и т. д.; сделать это можно с помощью простого самодельного- счетчика оборотов, основной деталью которого являются звездочки с 10 зубцами, выпиленные из жёйеза, латуни или дюралюминия толщиной около 1 мм (рис. 19). Первая звездочка, показывающая единицы, приводится в движение проволочным рычажком, ось которого соединяется с испытываемым прибором. В звездочку, в зубец, обозначенный цифрой «0», вклепывается короткий железный штифтик, который необходим для передвижения соседней второй звездочки, показывающей десятки. Вторая звездочка, в свою очередь, тоже имеет штифтик, передвигающий третью звездочку, показывающую сотни.

Звездочки при помощи шурупов привертываются одна над другой к деревянному основанию. Таким образом, чтобы штифтик первой звездочки при вращении зацеплялся за зубцы второй и мог ее передвигать, а   штифтик второй звездочки — за зубцы третьей и тоже передвигал ее, необходимая высота каждой звездочки над основанием подбирается при помощи шайб. - Вращаться звездочки должны с небольшим трением.

Работает счетчик следующим образом: при вращении основной оси, число оборотов которой отмечает счетчик, ее рычажок задевает за зубцы верхней звездочки и при каждом полном обороте поворачивает ось на один зубец. Через каждые 10 оборотов первая звездочка, показывающая единицы, совершит полный оборот и своим штифтиком повернет на один зубец вторую звездочку, показывающую десятки, а вторая звездочка при полном обороте повернет на один зубец третью и т. д.

Изготовленный механизм устанавливается в коробке, верхняя крышка которой против каждой звездочки имеет окошко. Через него видны зубцы с написанными на них цифрами. Первое окошко на рисунке показывает число сотен, второе — число десятков, третье — число единиц. Наибольшее показание счетчика — 999. Если необходимо отсчитывать не сотни, а тысячи оборотов, счетчик делается с 4 звездочками.

Селектор. Селектор предназначен для автоматического включения моделей, демонстрируемых на выставке. Конструкция его показана на рисунке 20 и состоит из фанерного диска диаметром 100—150 мм, на котором размечены концентрические окружности. По их линиям к диску прибиты мелким? гвоздиками контактные латунные полоски, показанные на рисунке. Наиболее длинная полоска расположена у края диска, каждая: из последующих, идущих к центру, сделана более короткой и смещена по отношеник к предыдущей под углом в 30°. Количество контактных полосок соответствует количеству демонстрируемых моделей.

По контактным полоскам передвигается ползунок, изготовленный из полоски железа или латуни толщиной 1 —2 мм. Вдоль одной из торцовых сторон ползунка приклепана" или припаяна контактная щетка, изготовленная из тонкой упругой латуни, нарезанной, в виде бахромы. От каждой контактной полоски, расположенной на диске, выведен контактный лепесток, который необходим для включения в электрическую цепь демонстрируемой модели. Общий контактный про-ЕОД присоединен к оси ползунка.

На ось ползунка, вращающуюся в подшипнике, надет шкивок для соединения селектора   с  электромотором.   Для   данпой конструкции необходим мотор, дающий от 1 до 10 оборотов в минуту. Очень хороши для этой цели имеющиеся в физических кабинетах школ электромоторчики Уоррена. В случае использования более быстроходных моторов необходимо применить редуктор, снижающий число оборотов.

При включении селектора ползунок, двигаясь, включает сначала модель, соединен-'ную с 1-м контактом, и затем, постепенно передвигаясь, замыкает последующие контакты с включенными в их цепь моделями.

Простейший аэрограф. Изготовленную в кружке модель можно считать законченной только после окончательной отделки. Окраска модели необходима не только для придания ей красивого внешнего вида, но и для предохранения от сырости, грязи и т. д. Наиболее быструю и качественную окраску модели можно произвести при помощи распылителя-аэрографа.

Основной деталью нашей конструкции (рис. 21) является насос, подающий сильную струю сжатого воздуха для распыления жидкой краски. Корпус насоса свертывается из жести или латуни толщиной около 1 мм на деревянной болванке подходящего диаметра и в месте стыка пропаивается. По внешнему диаметру получившегося цилиндрического корпуса из того же металла вырезается кружок, в центре которого сверлится отверстие диаметром 5 мм. В это отверстие впаивается горизонтальная медная трубочка воздухопровода с внутренним диаметром около 4 мм. Кружок с трубкой припаивается к корпусу, образуя донышко насоса. С другой стороны корпус насоса закрывается деревянной пробкой с отверстием в центре для движении штока поршня. Около деревянной пробки в стенке корпуса сверлится сквозное отверстие диаметром 6 мм для'притока воздуха.

Поршень насоса состоит из штока — стального прутка диаметром 5 мм, на одном конце которого на резьбе при помощи гаек зажимаются две железные шайбы диаметром 35 мм. Между ними помещается кружок диаметром 60 мм, вырезанный из кожи. Перед тем как вставить поршень в корпус насоса, кожаный кружок размягчается в горячей воде и обжимается вокруг шайбы. На другом конце штока укрепляется ручка.

Изготовленный насос при помощи железных угольников, сделанных так, как показано на рисунке, укрепляется на крышке. Крышка спаяна из жести или латуни по размерам имеющейся в наличии стеклянной банки емкостью от 0,5 до 1 л. В крышку под прямым углом к горизонтальной медной трубке воздухопровода впаяна вертикальная трубка с внутренним диаметром 3 мм для подачи жидкой краски.

Стеклянная банка заполняется на 8/д краской, плотно закрывается хорошо подогнанной пробкой, в которой сделано отверстие для пропуска вертикальной трубки, и сверху накрывается крышкой. Краокопо-дающая трубка должна доставать до дна банки. Если трубка коротка, на нее надевается отрезок резиновой трубки нужной длины. Для жесткого соединения корпуса насоса с банкой служит обойма, изготовленная из полоски железа толщиной 2—3 мм и зажатая болтом с- гайкой. Во избежание повреждения банки под обойму подклады-вается войлочная прокладка. Переходная часть обоймы обматывается бечевкой и служит рукояткой.

Регулировка изготовленного аэрографа сводится к подбору наилучшего расположения горизонтальной и вертикальной трубак. Достигается это перепайкой вертикальной трубки. Для проверки работы аэрографа налейте в банку разведенную разбавителем нитрокраску, приверните насос обоймой и, накачивая насосом воздух, добейтесь того, чтобы краска из трубки разбрызгивалась равномерно мелкими брызгами.

Через аэрограф можно распылять нитроэмали, лаки, анилиновые красители, алюминиевые и бронзовые краски и т. д. Модель должна быть тщательно очищена и зашпаклевана. Покрытие производится 2—3 раза после просушки каждого слоя. Очень важно подобрать правильную концентрацию краски. Слишком густая краска будет плохо распыляться, ложиться на поверхность комками и засорять краскоподающую трубку.

После работы необходимо тщательно промыть подающую трубку. Работу с аэрографом можно вести только на открытом воздухе.