Гармонограф - Википедия - Harmonograph

Гармонограф

А гармонограф это механический аппарат, в котором используется маятники для создания геометрического изображения. Чертежи обычно создаются Кривые Лиссажу или связанные чертежи большей сложности. Устройства, которые начали появляться в середине 19 века и достигли пика популярности в 1890-х годах, нельзя окончательно приписать одному человеку, хотя Хью Блэкберн, профессор математика на Университет Глазго, обычно считается официальным изобретателем.[1]

Простой, так называемый «боковой» гармонограф использует два маятника для управления движением ручка относительно поверхности рисования. Один маятник перемещает перо вперед и назад по одной оси, а другой маятник перемещает поверхность рисования вперед и назад по оси. перпендикуляр ось. Изменяя частота и фазы маятников относительно друг друга, создаются разные узоры. Даже простой описанный гармонограф может создать эллипсы, спирали, восьмерки и другие фигуры Лиссажу.

Более сложные гармонографы включают три или более маятника или связанных маятников вместе (например, один маятник свешивается с другого) или включают вращательное движение, в котором один или несколько маятников установлены на подвесы чтобы позволить движение в любом направлении.

Конкретный тип гармонографа, пинтограф, основан на относительном движении двух вращающихся дисков, как показано в ссылках ниже (в отличие от пантограф, механическое устройство, используемое для увеличения фигур).

Маятник Блэкберна

Фигура Лиссажу, созданная выпуском песка из контейнера на конце двойного маятника.

Маятник Блэкберна - это устройство для иллюстрации простые гармонические колебания, он был назван в честь Хью Блэкберн, который описал это в 1844 году. Впервые это обсуждалось Джеймсом Дином в 1815 году и математически проанализировано Натаниэлем Боудитчем в том же году.[2] Боб подвешен к струне, которая, в свою очередь, свисает с пары струн V-образной формы, так что маятник колеблется одновременно в двух перпендикулярных направлениях с разными периодами. Боб, следовательно, следует по пути, напоминающему Кривая Лиссажу; он принадлежит к семейству механических устройств, известных как гармонографы.[3]

В учебниках физики середины 20-го века этот тип маятника иногда упоминается как двойной маятник.[4]

Компьютерная фигура гармонографа

Гармонограф создает свои фигуры с помощью движений затухающих маятников. Движение затухающего маятника описывается уравнением

в котором представляет частоту, представляет фазу, представляет амплитуду, представляет собой демпфирование и представляет время. Если этот маятник может перемещаться вокруг двух осей (круглой или эллиптической формы), то из-за принципа суперпозиции движение стержня, соединенного с нижней частью маятника, вдоль одной оси будет описываться уравнением

Типичный гармонограф имеет два маятника, которые движутся таким образом, и перо, которое перемещается двумя перпендикулярными стержнями, соединенными с этими маятниками. Следовательно, путь фигуры гармонографа описывается параметрическими уравнениями

Соответствующая компьютерная программа может преобразовать эти уравнения в график, имитирующий гармонограф. Применение первого уравнения второй раз к каждому уравнению может имитировать движущийся лист бумаги (см. Рисунок ниже).

Галерея

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Тернер, Стивен (февраль 1997 г.). «Демонстрация гармонии: некоторые из многих устройств, используемых для построения кривых Лиссажу перед осциллографом». Rittenhouse. 11 (42): 41.
  2. ^ Пок, Лесли Филип (2011). Понимание маятников: краткое введение. Springer. ISBN  978-9-40-073634-4.
  3. ^ Бейкер, Грегори Л .; Блэкберн, Джеймс А. (2005). Маятник: пример из физики. Оксфорд. ISBN  978-0-19-156530-4.
  4. ^ Фрэнсис Сирс и Марк В. Земанский (1964). Университетская физика (3-е изд.). Издательство Эддисон-Уэсли.

внешняя ссылка