Dobrý den, já jsem Tom Smith ze společnosti Vernier Software and Technology.
Dnes bych rád krátce představil Aparaturu pro studium deformací (kód: VSMT).
Aparatura je velice všestranné a robustní zařízení vhodné pro každou třídu studující fyziku či techniku.
Vytvořili jsme sadu souborů s experimenty, abychom podpořili její používání
v procesu navrhování konstrukcí, mostů a nosníků,
pro soutěže ve stavění a pro vyhodnocování návrhů nosníků.
V tomto videu předvedu použití aparatury při vyhodnocování návrhů nosníků.
Aparatura obsahuje dvě čidla,
je tu siloměr ve formě tenzometru,
který umožňuje měřit síly až do 1000 newtonů.
Měřič posunutí (vychýlení), který vidíme zde, pod posuvným zařízením,
jednoduše počítá, jak se otáčí kolo.
Když kolem otáčíte, měří, kolik otáček udělá dokola. Hodnotu pak převede na vertikální posunutí,
spolu s tím, jak je siloměr otáčením šroubu stlačen dolu.
Nyní jej otočím zpět do výchozí pozice.
Můžete s ním měřit s rozlišením desetiny milimetru.
O prohnutí nosníku, vezmeme-li si jednoduchou destičku, jako je tato,
můžete říci mnoho jednoduše už pohledem na jeho orientaci a rozměry.
Když zkusím ohnout nosník orientovaný takto, je to velmi snadné.
Pokud jej ale otočím na hranu a budu působit silou nahoru a dolu, je velmi tuhý.
Orientace nosníku a směr sil tedy významně ovlivňují
schopnost nosníku ohýbat se.
Zkoumání deformace vlivem síly působící na nosník podepřený na obou koncích
je skutečně reálnou součástí výuky technických oborů zabývajících se vlastnostmi materiálů.
Když studenti zkoumají vlastnosti takto umístěného nosníku,
může se objevit řada otázek.
Tou první by mohlo být: „Jak ovlivňuje míru deformace použitý materiál?“
Druhá by mohla znít: „Jak míru prohnutí ovlivňuje umístění materiálu?“
Mám zde tři nosníky, každý trochu jinak konstruovaný.
Tento má jednoduše obdélníkový profil.
Bude mít velmi odlišné vlastnosti od nosníku s profilem I.
A tento nosník má ještě více hmoty umístěné daleko od středu.
Pokud na něj vyvineme sílu,
bude mít jiné chování v ohybu.
Mám v Loggeru Pro načtený konfigurační soubor experimentu
a je tedy správný čas připojit čidla k LabQuestu Mini.
Mohli byste jej zapojit k LabQuestu Mini, LabQuestu, LabQuestu 2 nebo LabPro.
Všechna zařízení jsou vhodná.
Pojďme se podívat. Siloměr patří do analogového portu a čidlo posunutí do digitálního.
Nyní mám připojeno k Loggeru Pro na počítači.
Soubor s experimentem, který jsem načetl, se jmenuje Elastic Modulus and Moment of Inertia. (Modul pružnosti a moment setrvačnosti)
Jednoduše řečeno nám umožňuje zkoumat vztah mezi rozměry nosníku
a mírou deformace, kterou vyvolá.
Tento vztah popisuje rovnice, kterou bych vám rád nyní předvedl,
jen jako úvod k tomu, jak byste o použití
souboru s experimentem ve třídě mohli uvažovat.
Rovnice říká, že prohnutí či vychýlení nosníku
bude záviset na vzdálenosti podpěr.
Tato vzdálenost umocněná na třetí, krát působící síla, děleno součinem
48 krát moment setrvačnosti krát plocha krát modul pružnosti.
Modul pružnosti říká, jak pevný či ohebný materiál je.
Vysoká hodnota modulu pružnosti znamená tužší materiál.
Pokud budeme hovořit o momentu setrvačnosti tělesa,
jde o míru toho, jak je hmota rozložena vzhledem ke středu nosníku.
Vezměme tento nosník, má nějakou hmotu blízko centra,
ale značná část hmoty je umístěna dál od středu.
Tento nosník bude mít vyšší moment setrvačnosti,
než například plná tyč, která má všechnu hmotu blízko středu.
První stránka souboru s experimentem, který jsme připravili, obsahuje několik vstupních polí,
do kterých vložíte informace o nosníku, který budete testovat.
Vidíme, že je třeba vložit šířku základny (base), výšku (height) a délku (length).
Šířka, výška a délka tohoto obdélníkového nosníku, jsou už zadány do počítače.
Je to 1 cm na šířku a 3,6 cm na výšku, které zadáme jako „base“ a „height“.
Musím zjistit, jak daleko od sebe jsou podpěry.
Obě dvě začínají 12 cm od středu aparatury, takže musím zvýšit vzdálenost na 24 cm.
Takže 24 cm. Máme vložena všechna data.
Připevním nosník s použitím příslušenství, které se k aparatuře dodává.
Konkrétně půjde o sponu tvaru U a několik karabinek,
což by mělo vytvořit dostatečnou délku, abych mohl upevnit nosník na horní hranu
aparatury VSMT.
K tomu se musím dostat sem a připevnit sponu tvaru I
k vrchní straně závaží siloměru.
S otevřenou karabinou se dostanu kolem a připevním
Při použití karabin je důležité je pevně uzavřít,
aby se neprohýbaly, když na ně začne působit síla.
Nyní vezmu nosník a podsunu spodem tak, aby byl vycentrován mezi podpěrami.
A můžeme zatočit tímto kolem, a nastavit tak, abychom nevyvíjeli žádný tah,
ale aby byla aparatura přesně v kontaktu a změřené prohnutí odpovídalo síle.
Možná trochu zpět, aby zde nepůsobila síla,
ale aby spojení bylo těsné.
Máme již Logger Pro nastavený k měření,
ale je také důležité mít ochranné vybavení, prostě
pro případ, kdy by odletovaly kousky tříštícího se dřeva.
Vše je připraveno, vynuluji hodnoty.
Klepnu na OK. Můžeme měřit.
Jako výsledek tohoto testu bychom měli být schopni stanovit modul pružnosti
z měření síly a prohnutí v průběhu otáčení kola.
Vidíte narůstající sílu.
A já zde zastavím, vidíte mírné prohnutí nosníku, to je v pořádku.
Nechám grafům nastavit automatickou škálu, abychom data dobře viděli.
Zde vidíme, přirozeně, kde nosník spadnul.
Když se podíváme na tuto oblast dat, bude představovat průměrný modul pružnosti tohoto konkrétního nosníku
předtím, než se začal převracet. Zobrazíme-li si okénko statistiky,
vidíme, že nám statistika vrací průměrný modul pružnosti 6,6 nebo 6,7·10^8 Pa (resp. N/m²).
V experimentu jsme určili modul pružnosti tohoto nosníku.
Zjistili jsme, že jsme se dívali na obdélníkový nosník
s modulem pružnosti zhruba 5,6·10^8 Pa (resp. N/m²).
To byl modul pružnosti obdélníkového nosníku.
Dnes jsme již testovali několik nosníků s profilem I, podívejme se na ně.
Zde máme ty dva I-nosníky.
Vidíte, že tento je poměrně masivní, ale hmota je poměrně blízko jeho středu,
takže má menší moment setrvačnosti.
Zde je druhý nosník, který dopadl poměrně tragicky. Větší část jeho hmoty je umístěna poměrně daleko,
takže byste mohli očekávat, že bude mít větší moment setrvačnosti a bude tužší.
Jak ale obstojí proti působící síle?
Tento byl testován jako první a nyní přijde střih a podíváme se na data, jak přibývala v Loggeru Pro.
Vidíme, že nosník kolabuje k jedné straně,
což vychází spíš z jeho konstrukce, než z podstaty nosníku jako takového.
Takže máme zničený nosník a nějaká data, která vedou k síle a momentu setrvačnosti.
Experiment mohu nyní zastavit a nastavím oběma grafům automatickou škálu.
Podívejme se, zda můžeme udělat nějakou předpověď ohledně tohoto nosníku.
Zda bude v testu bytelnější či naopak, pružnější či méně pružný.
Abych mohl grafy porovnat, musím si data uložit.
Zvolím „Uchovat poslední měření“ (Store latest run) a budeme schopni spustit měření
se záznamem do stejného grafu.
Znovu kliknu na „Start“ a začnu zvyšovat působící sílu.
Vidíme, že už teď působí mnohem větší síla. Vypočtený moment setrvačnosti je dolním grafu.
A tady máme kolaps tohoto nosníku.
To je tedy Aparatura pro studium deformací (Vernier Structures and Materials Tester),
kterou využijete pro testování nosníků ve vaší třídě.
Je to úžasná příležitost pro žáky vyzkoušet si svůj návrh v hodinách fyziky či techniky.
Pro více informací navštivte naše webové stránky www.vernier.cz/VSMT