LEYBOLD DIDACTIC GMBH Gebrauchsanweisung 401 20 - 24 ...

Physik Chemie ⋅ Biologie Technik LEYBOLD DIDACTIC GMBH
9/96 -Sf-
Gebrauchsanweisung 401 20 - 24
Wellenmaschine, Basismodul 1
Wellenmaschine, Basismodul 2
Antriebsmodul zur Wellenmaschine
Dämpfungsmodul zur Wellenmaschine
Einbaubremse zur Wellenmaschine
Fig. 1
Das Geräteprogramm "Wellenmaschine in Modul-Bauweise"*)
dient zur Untersuchung der Entstehung und der Eigenschaften
von Transversalwellen, die sich längs horizontal ausgerichteter,
gekoppelter Doppelpendel ausbreiten.
Mit den Basismodulen 1 und 2 (401 20/21) stehen 2 Schwingungssysteme
zur Verfügung, die sich durch die Massen ihrer
Pendelkörper und damit durch die Trägheitsmomente der Pendel
unterscheiden. Daraus resultieren unterschiedliche Wellengeschwindigkeiten.
Durch Kopplung mehrerer Module lassen
sich Schwingungssysteme verschiedener Länge zusammenstellen
(s. Fig. 1).
Die Schwingungserregung erfolgt wahlweise von Hand, über
das zur Anordnung passende Antriebsmodul (401 22) oder
über einen Experimentiermotor mit Exzenter. Das Antriebsmodul
wird mit den Basismodulen zu einer festen Experimentiereinheit
montiert. (s. Fig. 1).
Das Dämpfungsmodul (401 23) unterdrückt bei Versuchen, in
welchen eine Reflexion am Ende des Schwingungssystems unzulässig
ist, die reflektierte Welle (s. Fig. 1).
Die elektromagnetische Einbaubremse (401 24), die im Chassis
der Basismodule 1/2 montiert wird, stoppt die Bewegung aller
Pendel gleichzeitig und fixiert damit den Momentanzustand
einer Welle.
Versuchsbeispiele:
• Entstehung einer Welle durch Fortpflanzung einer Störung
längs eines Systems gekoppelter Pendel
• Ausbreitungsgeschwindigkeit:
Abhängigkeit von der Erregerfrequenz und dem Trägheitsmoment
der Pendel; Modellversuch zur Ausbreitung in Medien
verschiedener Dichte
• Frequenz, Ausbreitungsgeschwindigkeit, Wellenlänge
• Grund- und Oberschwingungen
• Reflexion am offenen und festen Ende
• Überlagerung gegenläufiger Wellen (gleich- und gegenphasig)
• Stehende Wellen
Literatur:
"Wellenmaschine in Modul-Bauweise" (401 191); im Lieferumfang
des Antriebsmoduls (401 22) enthalten.
______
*) Kompatibel mit früher gelieferten Teilen, deren Kopplungselemente
aus Moosgummi bestehen.
1 Sicherheitshinweise
• Kopplungsfedern, welche die Pendel mit definierter Spannung
miteinander koppeln, nicht aus den Basismodulen
entnehmen.
• Zur Entlastung der Pendellager Basismodule mit angehobener
Bremsschiene 8 transportieren und aufbewahren
(Blockierkeile 9 gemäß Fig. 2.1 einschieben).
• Maximal zulässige Betriebsdaten beachten:
Antriebsmodul: 12 V( (dauernd)
16 V( (kurzzeitig)
Einbaubremse: 12 V"
• Originalverpackung aufbewahren.
2 Beschreibung, Lieferumfang, technische Daten
2.1 Basismodule 1 und 2 (401 20/21)
1 Schwingungssystem:
21 Doppelpendel, 22,5 cm lang, mit zylindrischen Pendelmassen,
die das Trägheitsmoment J der Pendel bewirken.
Pendelmassen von Basismodul 1: gelb
von Basismodul 2; weiß
J (Basismodul 1): J (Basismodul 2) = etwa 4 : 1
Pendel reibungsarm um horizontale Achse drehbar auf
Schneiden- und Spitzenlagern zur Aufnahme der Gewichtskräfte
der Pendelkörper und der durch die Kopplungsfedern
ausgelösten Kräfte; mit gezahnten Bremsbacken, die
in die angehobene Bremsschiene 8 greifen:
Pendel durch Spiralfedern mit definierter Spannung bifilar
gekoppelt.
Pendelabstand: 2 cm
Länge des Schwingungssystems: 40 cm
2 Klemmschlitze für Kopplungsfedern und für Modul-Koppler
5 bzw. H/I/M
3 Fixierblech für Endpendel (Schwingungssystem mit festem
Ende; s. Fig. 5); bei Lieferung montiert.
4 Befestigungsschrauben für Fixierblech 3 und Pendelhalter
L.
5 Paar Modul-Koppler, ca. 3 cm lang, zur elastischen Kopplung
der Schwingungssysteme zweier Basismodule.

Fig. 2.1 Basismodul 1/2 (401 20/21) Fig. 2.2 Antriebsmodul (401 22)
6 Paar Verbindungslaschen zur mechanischen Verbindung
von 2 Basismodulen;
mit Bohrung für Holzschraube 3 x 35 zur festen Montage einer
aus mehreren Modulen bestehenden Wellenmaschine,
z.B. auf einem Brett.
7 Fixierschrauben (4 x) für 6
8 Bremsschiene, die entweder mechanisch durch die
Blockierkeile 9 oder elektromagnetisch durch die Einbaubremse
(401 24) gegen die gezahnten Bremsbacken der
Pendel gedrückt wird.
9 Paar Blockierkeile zum mechanischen Anheben von
Bremsschiene 8; Blockierung der Pendel bei gleichzeitiger
Entlastung der Lager.
A Montageschrauben mit Kontermuttern (4 x) für Bodenplatte
des Chassis sowie (an deren Stelle) für Grundplatte der
Einbaubremse (401 24), s. Abschnitt 3.5.1, Fig. 7.
B 4-mm-Anschlußbuchsen zur Spannungsversorgung (12 V,
3 A) der Einbaubremse (401 24).
C Ablagefach für Kleinteile (z.B. 2 - 5).
Abmessungen: 42 cm x 24 cm x 16 cm
Masse:
1,6 kg
2.3 Dämpfungsmodul zur Wellenmaschine (401 23)
L Drehbarer Pendelhalter mit Klemmschlitzen für Modul-
Koppler M, mit Schrauben 4 an Basismodule 1/2 montierbar;
mit Fixierschraube (21.1) für Pendel N
M Paar Modul-Koppler, ca. 3 cm lang, zur Kopplung zwischen
Dämpfungs- und Basismodul
N Pendel mit gelochter Dämpfungsplatte
Gesamtlänge des Pendels: 22 cm
Trägheitsmoment (bei in Wasser eingetauchter Dämpfungsplatte):
näherungsweise Mittelwert aus Trägheitsmomenten der
Pendel von Basismodul 1 und 2
O Wasserbehälter
Abmessungen: 8 cm x 24 cm x 8 cm
Gesamtmasse: 0,2 kg
2.2 Antriebsmodul zur Wellenmaschine (401 22)
D Gehäuse mit eingebautem Gleichstrom-Motor, Untersetzungsgetriebe,
Exzenter sowie mit Potentiometer zur Feineinstellung
der Frequenz.
Spannung: 5 V( bis max. 12 V( (dauernd)
16 V( (kurzzeitig)
erforderlicher Strom: max. 0,5 A
Frequenzbereich: ca. 0,1 Hz - 1,5 Hz
Grobeinstellung über Eingangsspannung an Buchsen E,
Feineinstellung über Stellknopf F
E Eingangsbuchsen für Motorspannung; Buchsenpaare auf
Vorder- und Rückseite parallel geschaltet.
F Potentiometer-Stellknopf zur Feinjustierung der Frequenz
G Erregergestänge mit Klemmschlitzen für Modulkoppler
H Paar kurze Modul-Koppler (ca. 3 cm lang) zur festen Kopplung
von Erreger G an die Klemmschlitze 2 des Basismoduls
(s. Fig. 3.1).
I Paar Modul-Koppler, ca. 3 cm lang, zur Kopplung zwischen
Dämpfungs- und Basismodul
J Paar Verbindungslaschen zur mechanischen Verbindung
von Antriebs- und Basismodulen; mit Bohrung (s. 6).
K Fixierschrauben (4 x) für J.
Abmessungen: 12 cm x 24 cm x 16 cm
Masse:
0,6 kg
Im Lieferumfang enthalten: Buch "Wellenmaschine in Modul-
Bauweise" (401 191).
Fig. 2.3 Dämpfungsmodul (401 23)
2.4 Einbaubremse zur Wellenmaschine (401 24)
P Grundplatte mit 4 Bohrungen für Montageschrauben A.
Q Kabelschuhe zum Aufstecken auf die mit den Buchsen B
verbundenen Anschlußplatten.
R Gleichrichter und Kondensator
S Elektromagnet (2 x) mit beweglichem Eisenkern, der bei
stromdurchflossener Spule die Bremsschiene 8 gegen die
Bremsbacken der Pendel (s. 1) drückt.
ohne Abb.: Schild "12 V" zur Kennzeichnung der Buchsen B
Fig. 2.4 Einbaubremse (401 24)
2

Versorgungsspannung: 12 V
Stromstärke:
3 A
Abmessungen: 27 cm x 15 cm x 8 cm
Masse:
0,6 kg
3 Bedienung
3.1 Zusammenbau von Modulen (s. Fig. 1; Fig. 3.1 - 3.3)
Ausreichend für Einführungsversuche: 1 Basismodul 2;
bei mehr als 5 Basismodulen: merkliche Amplitudenabnahme
durch Dämpfung
Basismodule - gegebenenfalls nach der Montage der Einbaubremse,
s. Abschnitt 3.5.1 - stets so zusammenbauen, daß sich
alle Buchsenpaare B auf der gleichen Seite befinden;
Module linear ausrichten und zunächst über Verbindungslaschen
6 bzw. J (sorgfältig festschrauben) mechanisch miteinander
verbinden;
Wellenmaschinen, die aus mehr als 2 Modulen bestehen,
zweckmäßigerweise mit Holzschrauben 3 x 35, die durch die
Bohrungen der Verbindungslaschen geführt werden, fest auf einem
Brett montieren.
Elastische Kopplung mit Modul-Kopplern gemäß Fig. 3.1 - 3.3
vornehmen; zum Ankoppeln von Antriebs- bzw. Dämpfungsmodul
Koppler H, I bzw. M mit starrem Ende verwenden.
3.2 Wellenerregung
3.2.1 Anregung von Hand
Einmalige Anregung des Anfangspendels (z.B. bei Versuchen
zur Reflexion und zur Messung der Ausbreitungsgeschwindigkeit
mit Gabellichtschranken, 337 46 und mit elektronischem
Zeitmesser, z.B. 313 031 oder 575 45):
Pendel innerhalb von etwa 2 s einmal kontinuierlich - nicht ruckartig!
- mit einer Amplitude von etwa ± 3 cm auf- und abbewegen
und dann loslassen.
Einmalige Anregung von Anfangs- und Endpendel (Überlagerung
gegenläufiger Wellen gleicher oder entgegengesetzter
Phase):
Anfangs- und Endpendel einmal synchron auf- und abwärts bewegen
(gleichphasig)
oder
Anfangspendel auf-, ab- und synchron dazu Endpendel ab-,
auf- bewegen (gegenphasig).
Kontinuierliche Anregung von stehenden und (bei angekoppeltem
Dämpfungsmodul) fortschreitenden Wellen:
Anfangspendel mit kleiner Amplitude (max. ± 2 cm) zunächst
sehr langsam (etwa 1 Schwingung in 5 s) mit kontinuierlich zunehmender
Frequenz bewegen, bis der gewünschte Schwingungszustand
(Eigenschwingung des Systems, Oberschwingungen
höherer Ordnung) erreicht ist.
3.2.2 Anregung durch Antriebsmodul (401 22)
Zusätzlich erforderlich:
Gleichspannungsquelle, 12 V( (bzw.. 16 V(); 0,5 A, kontinuierlich
einstellbar, z.B.
Kleinspannungsstelltrafo S 521 35
empfehlenswert: Spannungsmesser, z.B.
Vielfachmeßgerät MA 1 H 531 51
Antriebsmodul gemäß Fig. 3.1 oder 3.2 montieren und ankoppeln.
Anregungsfrequenz langsam und kontinuierlich über die Versorgungsspannung
erhöhen; schwingt das System näherungsweise
in der Grundschwingung bzw. mit der 1., 2. Oberschwingung,
am Drehknopf F Feineinstellung der Frequenz vornehmen.
In Anordnungen mit Basismodul 2 Spannung kurzzeitig bis 16 V
(= 1,5 Hz) erhöhen.
3.2.3 Anregung durch Experimentiermotor mit Exzenter
Zusätzlich erforderlich:
Experimentiermotor, 100 W, mit Steuergerät 347 35/36
empfehlenswert: Spannungsmesser für 15 V(, z.B.
Vielfachmeßgerät MA 1 H 531 51
Exzenter 347 28
Paketgummi aus 340 90
Fig. 3.1 Fig. 3.2
Fig. 3.3
Fig. 3.1
Feste Kopplung zwischen Antriebs- und Basismodul durch kurze
Modul-Koppler zur Anregung von fortschreitenden Wellen
Fig. 3.2
Lose Kopplung zwischen Antriebs- und Basismodul durch lange
Modul-Koppler zur Anregung von stehenden Wellen
(Eigenschwingungen des Systems)
Fig. 3.3
Ankopplung des Dämpfungsmoduls
3

3.3 Festes und loses Ende des Schwingungssystems
Festes Ende: Endpendel in horizontaler Lage mit Fixierblech 3
gemäß Fig. 5 fixieren.
Loses Ende: Läßt sich bei nicht fixiertem Endpendel Reflexion
ohne Phasensprung am losen Ende nicht realisieren, die dafür
ursächliche, fertigungstechnisch bedingte Reibung des Endpendels
gemäß Fig. 6 ausschalten.
3.4 Unterdrückung der reflektierten Welle durch
Dämpfungsmodul (401 23), z.B. bei Versuchen mit
fortschreitenden Wellen
Pendelhalter L gemäß Fig. 3.3 montieren und ankoppeln;
Behälter O bis etwa 1 cm unterhalb des Randes mit Wasser
füllen,
Höhe von Pendel N so wählen, daß es bei eingetauchter
Dämpfungsplatte (Auftrieb) lotrecht hängt.
Fig. 4
Anregung durch Experimentiermotor (347 35) mit Exzenter (347 28);
Amplitudenvergrößerung durch Verschieben des Exzenterstiftes in
Pfeilrichtung
3.5 Gleichzeitiger Bewegungsstop aller Pendel
("Momentanbild" der Welle) durch Einbaubremse
(401 24)
3.5.1 Montage
Pendel in horizontaler Lage durch Anheben der Bremsschiene
9 mit Blockierkeilen 9 fixieren; Montageschrauben A lockern.
Basismodul gemäß Fig. 7 umdrehen und Bodenplatte entfernen;
Kabelschuhe Q auf die mit den Buchsen B verbundenen Anschlußplatten
schieben;
Einbaubremse in das Chassis legen und mit Schrauben und
Kontermuttern befestigen.
Schild "12 V" zwischen Buchsen B auf das Chassis kleben.
3.5.2 Betrieb
Zusätzlich erforderlich:
Spannungsquelle, 12 V, Mindestbelastbarkeit 3 A pro Bremse,
z.B.
für max. 3 Bremsen
Transformator 2 V - 12 V, 120 W 521 25
für max. 6 Bremsen
Experimentier-Transformator, bestehend aus
Netzspule, 500 Windungen (für 230 V") 56221
250 Windungen (für 115 V") 56222
Kleinspannungsspule 562 18
U-Kern mit Joch und Spannvorrichtung 562 11/12
Spannungsquelle zweckmäßigerweise in günstigem Beobachtungsabstand
> 1 m vom Schwingungssystem aufbauen.
Spannungsquelle an Buchsenpaar B anschließen; bei Verwendung
von mehreren mit Bremsen ausgerüsteten Modulen
deren Eingänge parallel schalten;
Schwingungssystem anregen und Spannung genau dann einschalten,
wenn das "Wellenbild" die gewünschte Form zeigt;
gleichzeitig Spannung für Antriebsmotor abschalten
Fig. 5
Fixierung des Endpendels für Versuche mit festem Ende des Schwingungssystems
Fig. 6
Entlastung des Endpendels durch einen 5-N-Kraftmesser, der im
Abstand von ca. 0,5 m mit etwa 3 N über Angelschnur angreift
4 Aufbewahrung, Transport; Ersatzteile
Zum Schutz und zur Entlastung der Pendellager Basismodule
stets mit blockierten Pendeln transportieren und aufbewahren;
Ist Reparatur-Einsendung erforderlich, für transportgerechte
Verpackung sorgen,in der die Geräte keinen Schaden nehmen
können.
Empfehlenswert für Basismodule: Originalverpackung!
Ersatzteile:
Paar Koppelfedern (ca. 38 cm lang) und Modul-Koppler (ca.
3 cm lang) für die Basismodule (401 20/21): ET-Nr. 68 421.
Je 1 Paar Modul-Koppler ca. 3 cm und ca. 11 cm lang für Antriebs-
und Dämpfungsmodul (401 22/23): ET-Nr. 68 422.
Fig. 7
Montage der Einbaubremse
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