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
𝐶𝑅 =
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.
