Действие 1: Изучить силу тяжести и коэффициент восстановления.

Используя виртуальную лабораторию с прыгающими шариками, вы исследуете силу тяжести и коэффициент восстановления, а также узнаете, как они связаны между собой. Вы научитесь исследовать различные гравитационные поля и коэффициенты восстановления различных материалов.

Давайте для начала определим потенциальную и кинетическую энергию. Потенциальная энергия – мера содержащейся в системе энергии. Есть множество форм потенциальной энергии, но самые основные связаны с гравитационными полями. Когда шарик поднят над полом, в нем имеется потенциальная энергия, благодаря которой он может упасть. Энергия – это результат воздействия гравитационных сил, которые притягивают мячик к центру Земли. Количество потенциальной энергии пропорционально высоте над точкой отсчета, например, над полом. Можно без труда составить уравнение, описывающее потенциальную энергию.

𝑃𝐸=𝑚𝑔ℎ

Где 𝑚 – это масса, 𝑔 – ускорение свободного падения, а ℎ – высота над полом или землей.

Кинетическая энергия – это энергия, связанная с движением. Чем быстрее что-либо движется, тем больше его кинетическая энергия. Когда мячик ударился о пол, можно измерить коэффициент восстановления, измерив скорость до и после удара.

𝑉до

𝐶_𝑅 =

𝑉после

Это означает, что коэффициент восстановления измеряется в процентах. Он показывает, сколько энергии было потеряно на тепло и шум при столкновении. Если коэффициент равен 1.0, то это означает, что энергия не теряется, и шарик возвращается на ту же высоту, с которой был сброшен. Если он равен 0.0, это значит, что вся энергия потеряна, и шарик больше не будет прыгать.

Давайте начнем исследование силы тяжести и отскакивания при помощи виртуальной лаборатории.

1. Запустите PTC Creo Parametric, дважды щелкнув по значку, или перейдите в меню Пуск, найдите ярлык PTC Creo Parametric, и выберите его.

2. На вкладке Начало, группа Данные, щелкните Выберите рабочую папку Как вы помните, это позволяет установить папку, которую PTC Creo Parametric будет использовать для открытия и сохранения файлов.

3. Перейдите к папке How to Model Almost Anything: · Дважды щелкните по папке «Bouncing_Balls». · Нажмите OK.

4. На вкладке Начало щелкните Открыть • Дважды щелкните на balls.asm.

5. На панели инструментов для работы с графикой: • Нажмите Фильтры показа опорных элементов и отключите отображение всех опорных элементов.

6. На вкладке Приложениянажмите Механизм. Режим «Механизм» - это виртуальная лаборатория, где можно проводить различные эксперименты с моделью.

Давайте исследуем модель. Вы заметите соединения «3D-контакт» между тремя шариками и внутренними стенками контейнера, как показано пунктирными линиями.

7. На вкладке Механизм нажмите Анализ механизма.

Появится диалоговое окно Определение анализа. 8. В диалоговом окне Определение анализавыберите Динамическийиз раскрывающегося меню Тип. 9. Измените Наименованиена «Земля». 10. В поле Длительность установите 10, Число кадров– 10. 11. Нажмите на I.C. State, чтобы использовать начальные условия, заданные в модели.

12. Выберите вкладку Внешние нагрузки. 13. Нажмите Включить силу тяжести. 14. Нажмите Выполнить.

Вы заметите, что вычисления замедляются непосредственно перед столкновением шаров со стенами. Это происходит потому, что в этот момент требуется гораздо больше вычислений. 15. После завершения анализа нажмите OKв диалоговом окне Определение анализа.

Давайте воспроизведем анализ. 16. В дереве механизма раскройте PLAYBACKS. 17. Щелкните правой кнопкой Земля и выберите Воспроизведение.

18. Используйте диалоговое окно Анимация,чтобы воспроизвести анализ. Скорость воспроизведения можно регулировать слайдером. Вы также можете поворачивать модель, пока идет анимация, чтобы рассмотреть ее со всех сторон.

В Creo есть возможность создавать видео анализа. 19. В диалоговом окне Анимациянажмите Запись. 20. В поле Наименованиевведите ЗЕМЛЯ. Диалоговое окно «Захват» позволяет менять и многие другие настройки видео. 21. Щелкните OK, чтобы создать видео. 22. Закройте диалоговое окно Анимация.

Давайте теперь исследуем различные гравитационные поля. 23. На вкладке Механизм, группа Свойства и условия, нажмите Сила тяжести.

Обратите внимание, что величина силы тяжести равна 9.8044 m/sec^2, что является ускорением свободного падения на поверхности Земли. Также обратите внимание на отрицательное направление Y.

Ускорение свободного падения на поверхности Марса составляет примерно 1/3 от земного. 24. Под Величиной введите 9.8044/3 и нажмите ENTER. 25. Нажмите OK.

Необходимо перезагрузить эксперимент, чтобы шарики были снова наверху. Модель была построена с начальным условием, что позволяет нам перезагрузить ее. 26. На вкладке Механизмнажмите Двигать компоненты.

27. В диалоговом окне Перетащить нажмите чтобы развернуть Снимки. 28. Дважды щелкните по Snapshot 1. Обратите внимания, что это вернет мячики в их начальное положение. 29. Нажмите Закрыть.

Давайте проверим наши начальные условия. 30. В дереве механизма раскройте INITIAL CONDITIONS. 31. Щелкните правой кнопкой на InitCond1 (BALLS) и выберите Править этот объект.

32. В диалоговом окне Определение начальных условий нажмите Pt velocity 1,чтобы увидеть величину и направление начальной скорости синего шарика. Вы можете проверить начальную скорость каждого шарика, нажав на конкретные записи Условий Скорости. 33. Нажмите OK.

34. На вкладке Механизм нажмите Анализ механизма. 35. В диалоговом окне Определение анализавыберите Динамическийиз раскрывающегося меню Тип. 36. Измените Наименованиена «Марс». 37. В полях Длительность и Число кадровустановите 10. 38. Нажмите на I.C. State, чтобы использовать начальные условия, заданные в модели.

39. Выберите вкладку Внешние нагрузки. 40. Нажмите Включить силу тяжести. 41. Нажмите Выполнить

42. В дереве механизма раскройте PLAYBACKS. 43. Щелкните правой кнопкой Марс и выберите Воспроизведение. 44. Используйте диалоговое окно Анимация,чтобы воспроизвести анализ. Обратите внимание, что шарики теперь прыгают выше, так как на них действует меньшая сила тяжести.

45. В диалоговом окне Анимациянажмите Запись. 46. В поле Наименованиевведите МАРС. 47. Щелкните OK, чтобы создать видео. 48. Закройте диалоговое окно Анимация.

49. Повторите шаги 23 – 48 и установите величину силы тяжести 0.00001. Это приблизительная величина гравитации на Международной космической станции. Она также называется «микрогравитацией». 50. Назовите анализ и записанное видео «МКС».

51. В меню быстрого доступа нажмите Сохранить.

52. Перейдите к папке Bouncing_Balls, откройте все видеофайлы и сравните влияние силы тяжести.

Обзор

Теперь, когда вы узнали о возможностях виртуальной лаборатории PTC Creo, давайте вспомним, какие шаги и операции вы выполнили:

1. Вы узнали, как PTC Creo Parametric может стать виртуальной лабораторией (стр. 1-4).

2. Вы узнали о коэффициенте восстановления (стр. 5-6).

3. Затем вы узнали, как воспроизводить анализ (стр. 9-12).

4. Вы научились записывать результат на видео (стр. 13).

5. Вы научились изменять силу тяжести в анализе (стр. 13-14).

6. Затем вы провели еще два анализа, чтобы протестировать прыгающие шарики под действием сил тяжести Марса и МКС (стр. 15-21).

Перед тем как перейти к новой модели, давайте исследуем, как был создан эксперимент с прыгающими шариками.

53. В дереве механизма раскройте CONNECTIONS, затем 3D CONTACTS. 54. Щелкните правой кнопкой на Контакт 1 (BALLS) и выберите Править определение.

55. Выберите вкладку Привязки. Обратите внимание, что 3D-контакты установлены между синим шариком и всеми внутренними сторонами желтой коробки.

56. Выберите вкладку Контакт. Обратите внимание, что значение «Демпфирование» очень мало. Коэффициент демпфирования – это величина противоположная коэффициенту восстановления. Можно заметить, что шарики теряют крайне мало энергии при столкновении. Все эти параметры могут быть настроены в зависимости от ситуации, которую вы хотите симулировать.

57. На панели быстрого доступа нажмите Закрыть. 58. На вкладке Начало,группа Данные,нажмите Стереть непоказанное. 59. Нажмите OK, чтобы удалить сессию из памяти.

Давайте попробуем немного другой вид столкновения. Есть очень известная игрушка, которая называется «Колыбель Ньютона». Она демонстрирует, как сохраняются импульс и энергия при столкновении.

Мы используем модель колыбели Ньютона, чтобы исследовать другие опции симулирования реального мира.

1. На вкладке Начало, группа Данные, щелкните Выберите рабочую папку 2. Перейдите к папке How to Model Almost Anything: · Дважды щелкните на папку Newton’s_Cradle. · Нажмите OK 3. На вкладке Началонажмите Открыть: · Дважды щелкните на cradle.asm.

4. На вкладке Приложениянажмите Механизм. Обратите внимание, что соединения между шариками теперь выделены. Они называются кулачковыми соединениями.

5. В дереве модели раскройте CONNECTIONSи CAMS. 6. Щелкние правой кнопкой на Cam Follower1 (CRADLE) и выберите Править определение.   Обратите внимание, что белые и фиолетовые стрелки показывают направление движения. Фиолетовые – это Cam1, а белые – Cam2.

7.	В диалоговом окне Определение кулачкового соединения,выберите Свойства,чтобы увидеть информацию о данном соединении. Обратите внимание, что отрыв уже включен, и значение коэффициента восстановления составляет 0.998. В окрестностях шариков были созданы кривые и назначены в качестве кулачков.
8. Используйте ваши знания по воспроизведению анализов, чтобы воспроизвести анализы One_Ball и Three_Ball в дереве механизма. 9. Создайте видео каждого анализа, чтобы сравнить результаты. 10. Попробуйте создать свой собственный анализ, используя различное число приподнятых шариков.
11. На панели быстрого доступа нажмите Закрыть. 12. На вкладке Начало,группа Данные,нажмите Стереть непоказанное. 13. Нажмите OK, чтобы удалить сессию из памяти.

Финальная оценка знаний

Ответьте на данные вопросы, прежде чем перейти к выполнению финальной оценки знаний:

1. Как используется PTC Creo в качестве виртуальной лаборатории?

2. Что такое коэффициент восстановления?

3. Какое приложение позволяет симулировать механизм?

4. Какие два вида соединений позволяют симулировать столкновения?

5. Как модель колыбельной Ньютона демонстрирует сохранение импульса и энергии?

1. Настройте рабочую папку на Chemical_Reactions и откройте chemical_behavior.asm. 2. Вы увидите вакуумную трубку, наполненную несколькими молекулами воды и метана.

3. Откройте инструмент «Механизм» и запустите анализ Low_Energy. 4. Используйте диалоговое окно анимации, чтобы записать анализ на видео. Обратите внимание, что для воспроизведения анализа может потребоваться некоторое время, так как он требует большого объема памяти.

5. Изучите два начальных условия (Initial Conditions: Low_energy & High_energy) в дереве механизма, чтобы выявить различия.   6. Воспроизведите анализ High_Energy и сохраните видео.

7. Почему вероятность столкновения двух молекул тем более вероятна, чем выше их энергетическое состояние?

Чтобы закончить задание, предоставьте два видео анализа для разных энергетических состояний.