一种天体运行模拟装置及其方法与流程

本发明涉及天文物理教学器具技术领域，尤其是涉及一种天体运行模拟装置及其方法。

背景技术：

天文物理学是研究宇宙的物理学，这包括星体的物理性质和星体与星体彼此之间的相互作用。其中，物理性质包括光度、密度、温度以及化学成分等性质。

由于天文物理学是一门很广泛的学问，通常需要涉及很多不同的学术领域，像经典力学、电磁学、统计力学、量子力学、相对论、粒子物理学等。

天体运行以及彼此作用的等理论通常晦涩难懂，而且现有的教学教具都无法给学生以直观的展示和解释。由此导致学生们不能完全理解和掌握天文物理学的基本原理和知识。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种天体运行模拟装置及其方法，以解决天体运行以及彼此作用的等天文物理理论晦涩难懂，而且现有的教学教具都无法给学生以直观的展示和解释的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种天体运行模拟装置，包括：桶状体、弹性薄膜、鼓风机，以及至少两个球体；

所述弹性薄膜封盖在所述桶状体的上方口沿上；

所述球体放置在所述弹性薄膜上，用于模仿天体或者暗物质；

所述弹性薄膜上密布有气孔；

所述鼓风机通过进气管路与所述桶状体的内部空间连通，用于向桶状体内吹风并形成正压，桶状体内的气体自所述气孔排出，用于承载所述球体的部分重力。

进一步地，所述气孔的孔径大小为0.03-1mm。

在本发明中，气孔为针眼大小的通孔，桶状体内的正压气体自气孔排出，可以减小球体对弹性薄膜的压力，进而可以减小弹性薄膜对球体运行的阻力，延长球体在模拟天体运行时的阻力，延长球体的运转时间，从而可以更真实地模拟天体运行的规律。

进一步地，所述弹性薄膜为橡胶薄膜、硅胶薄膜、聚烯类薄膜、聚酯类薄膜或者聚氨酯类薄膜。

进一步地，所述桶状体外圆周上设置有环形凹槽，用于承接从所述弹性薄膜上滑落的所述球体。

进一步地，所述球体为引力模拟球，引力模拟球包括：第一球体和第二球体，所述第一球体的质量大于第二球体的质量。

进一步地，所述第一球体的质量是所述第二球体质量的10-50倍。

进一步地，所述第一球体的质量与所述弹性薄膜的弹性相关，第一球体放置在所述弹性薄膜上，弹性薄膜的凹陷后形成一个喇叭口型斜坡，所述斜坡的坡度为10-100％。

进一步地，所述球体为暗物质模拟球，暗物质模拟球为轻质小球，单个所述暗物质模拟球放置在所述弹性薄膜上，弹性薄膜不会产生肉眼可见的形变。

进一步地，所述暗物质模拟球的颜色与所述弹性薄膜一致。

进一步地，所述球体为磁性球。

采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果：

本发明提供的一种天体运行模拟装置，结构简单，能够用来模拟天体公转、万有引力、暗物质、暗能量、宇宙膨胀以及引力波等天体运行规律，将晦涩难懂的天文知识清晰地展示给学生，很好地普及天文知识，便于普通大众理解。

另外，本发明还公开了一种采用上述天体运行模拟装置的天体运行模拟方法，用于模拟万有引力和天体公转，其具体包括如下步骤：

S11.所述球体为引力模拟球，包括：第一球体和第二球体，所述第一球体的质量大于第二球体的质量；

S12.将所述第一球体放置在所述弹性薄膜上，第一球体迫使所述弹性薄膜凹陷；

S13.将所述第二球体放置在所述弹性薄膜上，所述第二球体逐渐向所述第一球体靠拢，且随着第一球体和第二球体的距离减小，所述第二球体靠近的速度逐渐加快，由此用于模拟万有引力；

当所述第二球体以大于设定的初速度运行，以致于第二球体的离心力不小于迫使第二球体靠近所述第一球体的引力时，第二球体围绕着第一球体转动，由此用于模拟公转；

S14.在步骤S13中，所述鼓风机通过进气管路向所述桶状体的内部空间吹入气体，桶状体内的正压气体自所述气孔排出，用于趋向于托起所述第二球体进而减小第二球体的运动阻力。

进一步地，所述正压气体作用在所述第二球体上的浮力小于所述第二球体的自身重量。

进一步地，所述第一球体的质量是所述第二球体质量的10-50倍。

进一步地，所述第一球体的质量与所述弹性薄膜的弹性相关，第一球体放置在所述弹性薄膜上，弹性薄膜的凹陷后形成一个喇叭口型斜坡，所述斜坡的坡度为10-100％。

另外，本发明还公开了一种采用上述天体运行模拟装置的天体运行模拟方法，用于模拟暗物质，其具体包括如下步骤：

S21.所述球体为暗物质模拟球，所述暗物质模拟球的颜色与所述弹性薄膜一致；

且暗物质模拟球为轻质小球，单个所述暗物质模拟球放置在所述弹性薄膜上，弹性薄膜不会产生肉眼可见的形变；

S22.将多个所述暗物质模拟球放置在所述弹性薄膜上，当聚集在一起的所述暗物质模拟球达到一定数量时，所述弹性薄膜发生凹陷性的形变，进而模拟出肉眼不可见，但是大量聚集在一起时产生的万有引力，可以改变光和引力的暗物质。

暗物质是真实存在于宇宙中，但是对电磁波无响应的物质，因此电磁波探测器，包括人类的眼睛，都看不到它，但是大量的暗物质聚集在一起时，产生的万有引力，可以改变光和引力，科学家由此推测出它的存在。

用大量颜色与弹性薄膜完全相同的轻质小球来模拟暗物质，调暗光线，把一个轻质小球放在弹性薄膜上，由于颜色完全相同，观察者很难看不出来轻质小球在弹性薄膜上的存在，由于轻质小球轻质，少量的轻质小球甚至很难引起弹性薄膜的形变，观察者也就不能通过弹性薄膜的形变来推测到轻质小球的存在。只有当大量的轻质小球聚集在一起时，观察者虽然看不到清晰的轻质小球，但是却能通过弹性薄膜表面的形变，即我们模拟出来的引力的变化，推测到轻质小球的存在。

另外，本发明还公开了一种采用上述天体运行模拟装置的天体运行模拟方法，用于暗能量和宇宙膨胀，其具体包括如下步骤：

S31.关闭所述鼓风机，将多个所述球体投掷在所述弹性薄膜上，最终所有的所述球体最终汇聚在一起，由此模拟宇宙在没有暗能量支撑时最终会坍缩的物理现象；

其中，多个所述球体的密度和质量不尽相同；

S32.开启所述鼓风机，所述桶状体内气压不断增加，进而迫使所述弹性薄膜缓慢鼓起；所述球体逐渐向从弹性薄膜中间向四周滚落；

其中，所述球体包括用于模拟暗物质的轻质球和用于模拟星球天体的重质球；所述重质球的质量和密度大于所述轻质球；所述轻质球向四周滚落的时间早于所述重质球，进而用于模拟暗能量不断推动宇宙膨胀。

进一步地，步骤S32中所述球体包括用于模拟星球公转的若干个所述重质球，所述重质球随着所述弹性薄膜的逐渐鼓起，所述重质球的公转半径逐渐加大，公转速度也逐渐加快直至滚落出所述弹性薄膜，进而用于模拟宇宙在暗能量的作用下势不可挡地膨胀下去，并且膨胀的速度越来越快。

如果没有暗能量，宇宙应该在万有引力的作用下坍缩。鼓风机吹入所述桶状体内的正压气体可以被理解暗能量。在关停鼓风机后，在弹性薄膜上投入大量球体，可以观察到代表天体的球体们最终会聚在一起，聚成一团。这是模拟没有暗能量的时候，宇宙最终会坍缩的模型。

而暗能量在宇宙中基本均匀分布，推动宇宙膨胀，即其负压的特征，可以用鼓风机完美的展示出来。打开鼓风机，调到适当强度，再次投入大量的球体，可以观察到球体们从弹性薄膜的边缘滚落。而且最开始大量滚落的就是用来模拟暗物质的轻质小球，这与目前研究发现的暗能量正在导致暗物质消失的现象相似。然后所有模拟星球天体的球体之间的距离都在增大，而且增大的速度越来越快，最终所有球体都会从弹性薄膜的边缘滚落，模拟了宇宙在暗能量的作用下势不可挡的膨胀下去，并且膨胀的速度越来越快。

另外，本发明还公开了一种采用上述天体运行模拟装置的天体运行模拟方法，用于模拟引力波，其具体包括如下步骤：

S41.所述球体为磁性球；

S42.将两颗所述磁性球间隔放置在所述弹性薄膜上，按照各自的轨迹运行；在磁力作用下，两颗磁性球彼此靠近，并最终发生碰撞和吸附在一起，碰撞时产生的震动波通过所述弹性薄膜向外传递，观察者将手放置在弹性薄膜的边缘能够感受到所述震动波。

引力波本质上是万有引力突变产生的涟漪，目前观测到的引力波有两颗中子星的合并引发的，也有两颗黑洞合并引发的。用两颗强磁性钢球模拟两颗中子星或黑洞，观察者手轻放在弹性薄膜的边缘，感受弹性薄膜的震动。

当两个球体在弹性薄膜表面运动着碰撞并吸附到一起时，观察者的手上感受到的一瞬间的震动波就是模拟出来的引力波，该震动波完全符合引力波持续时间非常短暂的特点。

本发明公开的天体运行模拟装置以及天体运行模拟方法，结构简单，但能够形象化地模拟宇宙中的天体运动特征，把抽象的名词具体化，表象化，使初学者更容易理解并记忆深刻。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1和2提供的天体运行模拟装置的结构示意图；

图2为本发明实施例3中天体运行模拟方法原理图；

图3为本发明实施例4中天体运行模拟方法原理图；

图4为本发明实施例5中天体运行模拟方法原理图。

附图标记：

10-桶状体；11-环形凹槽；20-球体；21-第一球体；22-第二球体；23-暗物质模拟球；24-磁性球；30-鼓风机；40-弹性薄膜。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合具体的实施方式对本发明做进一步的解释说明。

实施例1

如图1所示，本实施例提供的一种天体运行模拟装置，包括：桶状体10、弹性薄膜40、鼓风机30，以及至少两个球体20；所述弹性薄膜40封盖在所述桶状体10的上方口沿上；所述球体20放置在所述弹性薄膜40上，用于模仿天体或者宇宙里的暗物质。

其中，所述弹性薄膜40上密布有气孔；所述鼓风机30通过进气管路与所述桶状体10的内部空间连通，用于向桶状体10内吹风并形成正压，桶状体10内的气体自所述气孔排出，用于承载所述球体20的部分重力。

其中，优选地，所述气孔针眼大小，其孔径为大小为0.03-1mm。

在本发明中，气孔为针眼大小的通孔，桶状体10内的正压气体自气孔排出，可以减小球体20对弹性薄膜40的压力，进而可以减小弹性薄膜40对球体20运行的阻力，延长球体20在模拟天体运行时的阻力，延长球体20的运转时间，从而可以更真实地模拟天体运行的规律。

具体而言，所述弹性薄膜40为但不限于橡胶薄膜、硅胶薄膜、聚烯类薄膜、聚酯类薄膜或者聚氨酯类薄膜。

本发明提供的一种天体运行模拟装置，结构简单，能够用来模拟天体公转、万有引力、暗物质、暗能量、宇宙膨胀以及引力波等天体运行规律，将晦涩难懂的天文知识清晰地展示给学生，很好地普及天文知识，便于普通大众理解。

实施例2

参照图1所示，本实施例公开了一种采用上述天体运行模拟装置的天体运行模拟方法，用于模拟万有引力和天体公转，其具体包括如下步骤：

S11.所述球体20为引力模拟球，包括：第一球体21和第二球体22，所述第一球体21的质量大于第二球体22的质量。

S12.将所述第一球体21放置在所述弹性薄膜40上，第一球体21迫使所述弹性薄膜40凹陷。

S13.将所述第二球体22放置在所述弹性薄膜40上，所述第二球体22逐渐向所述第一球体21靠拢，且随着第一球体21和第二球体22的距离减小，所述第二球体22靠近的速度逐渐加快，由此用于模拟万有引力。

当所述第二球体22以大于设定的初速度运行，以致于第二球体22的离心力不小于迫使第二球体22靠近所述第一球体21的引力时，第二球体22围绕着第一球体21转动，由此用于模拟公转。

S14.在步骤S13中，所述鼓风机30通过进气管路向所述桶状体10的内部空间吹入气体，桶状体10内的正压气体自所述气孔排出，用于趋向于托起所述第二球体22进而减小第二球体22的运动阻力。

其中，所述正压气体作用在所述第二球体22上的浮力小于所述第二球体22的自身重量。由此不至于将两个球体吹走。

在上述任一技术方案中，较为优选地，所述第一球体21的质量是所述第二球体22质量的10-50倍。而进一步地，所述第一球体21的质量与所述弹性薄膜40的弹性相关，第一球体21放置在所述弹性薄膜40上，弹性薄膜40的凹陷后形成一个喇叭口型斜坡，所述斜坡的坡度为10-60％。

实施例3

本发明还公开了一种采用上述天体运行模拟装置的天体运行模拟方法，用于模拟暗物质，参照图2所示，其具体包括如下步骤：

S21.所述球体为暗物质模拟球23，所述暗物质模拟球23的颜色与所述弹性薄膜40一致，且暗物质模拟球23为轻质小球，单个所述暗物质模拟球放置在所述弹性薄膜40上，弹性薄膜40不会产生肉眼可见的形变。

S22.将多个所述暗物质模拟球放置在所述弹性薄膜40上，当聚集在一起的所述暗物质模拟球达到一定数量时，所述弹性薄膜40发生凹陷性的形变，进而模拟出肉眼不可见，但是大量聚集在一起时产生的万有引力，可以改变光和引力的暗物质。

暗物质是真实存在于宇宙中，但是对电磁波无响应的物质，因此电磁波探测器，包括人类的眼睛，都看不到它，但是大量的暗物质聚集在一起时，产生的万有引力，可以改变光和引力，科学家由此推测出它的存在。

用大量颜色与弹性薄膜40完全相同的轻质小球来模拟暗物质，调暗光线，把一个轻质小球放在弹性薄膜40上，由于颜色完全相同，观察者很难看不出来轻质小球在弹性薄膜40上的存在，由于轻质小球轻质，少量的轻质小球甚至很难引起弹性薄膜40的形变，观察者也就不能通过弹性薄膜40的形变来推测到轻质小球的存在。只有当大量的轻质小球聚集在一起时，观察者虽然看不到清晰的轻质小球，但是却能通过弹性薄膜40表面的形变，即我们模拟出来的引力的变化，推测到轻质小球的存在。

实施例4

本实施例公开了一种采用上述天体运行模拟装置的天体运行模拟方法，用于暗能量和宇宙膨胀，其具体包括如下步骤：

S31.关闭所述鼓风机30，参照图3所示，将多个所述球体20投掷在所述弹性薄膜40上，最终所有的所述球体20最终汇聚在一起，由此模拟宇宙在没有暗能量支撑时最终会坍缩的物理现象；

其中，多个所述球体20的密度和质量不尽相同；

S32.开启所述鼓风机30，所述桶状体10内气压不断增加，进而迫使所述弹性薄膜40缓慢鼓起；所述球体20逐渐向从弹性薄膜40中间向四周滚落；

其中，所述球体20包括用于模拟暗物质的轻质球和用于模拟星球天体的重质球；所述重质球的质量和密度大于所述轻质球；所述轻质球向四周滚落的时间早于所述重质球，进而用于模拟暗能量不断推动宇宙膨胀。

其中，轻质球可以是上述的暗物质模拟球，单个轻质球放置在所述弹性薄膜40上，弹性薄膜40不会产生肉眼可见的形变。而重质球放置在弹性薄膜上，弹性薄膜发生凹陷变形。

另外，所述桶状体10外圆周上设置有环形凹槽11，用于承接从所述弹性薄膜40上滑落的所述球体20。

步骤S32中所述球体20包括用于模拟星球公转的若干个所述重质球，所述重质球随着所述弹性薄膜40的逐渐鼓起，所述重质球的公转半径逐渐加大，公转速度也逐渐加快直至滚落出所述弹性薄膜40，进而用于模拟宇宙在暗能量的作用下势不可挡地膨胀下去，并且膨胀的速度越来越快。

如果没有暗能量，宇宙应该在万有引力的作用下坍缩。鼓风机30吹入所述桶状体10内的正压气体可以被理解暗能量。在关停鼓风机30后，在弹性薄膜40上投入大量球体20，可以观察到代表天体的球体20们最终会聚在一起，聚成一团。这是模拟没有暗能量的时候，宇宙最终会坍缩的模型。

而暗能量在宇宙中基本均匀分布，推动宇宙膨胀，即其负压的特征，可以用鼓风机30完美的展示出来。打开鼓风机30，调到适当强度，再次投入大量的球体20，可以观察到球体20们从弹性薄膜40的边缘滚落。而且最开始大量滚落的就是用来模拟暗物质的轻质小球，这与目前研究发现的暗能量正在导致暗物质消失的现象相似。然后所有模拟星球天体的球体20之间的距离都在增大，而且增大的速度越来越快，最终所有球体20都会从弹性薄膜40的边缘滚落，模拟了宇宙在暗能量的作用下势不可挡的膨胀下去，并且膨胀的速度越来越快。

实施例5

本实施例公开了一种采用上述天体运行模拟装置的天体运行模拟方法，用于模拟引力波，其具体包括如下步骤：

S41.所述球体为磁性球24；磁性球24放置在弹性薄膜上，弹性薄膜产生凹陷变形。

S42.参照图4所示，将两颗所述磁性球间隔放置在所述弹性薄膜40上，按照各自的轨迹运行；在磁力作用下，两颗磁性球彼此靠近，并最终发生碰撞和吸附在一起，碰撞时产生的震动波通过所述弹性薄膜40向外传递，观察者将手放置在弹性薄膜40的边缘能够感受到所述震动波。

引力波本质上是万有引力突变产生的涟漪，目前观测到的引力波有两颗中子星的合并引发的，也有两颗黑洞合并引发的。用两颗强磁性钢球模拟两颗中子星或黑洞，观察者手轻放在弹性薄膜40的边缘，感受弹性薄膜40的震动。

当两个球体20在弹性薄膜40表面运动着碰撞并吸附到一起时，观察者的手上感受到的一瞬间的震动波就是模拟出来的引力波，该震动波完全符合引力波持续时间非常短暂的特点。

本发明公开的天体运行模拟装置以及天体运行模拟方法，结构简单，但能够形象化地模拟宇宙中的天体运动特征，把抽象的名词具体化，表象化，使初学者更容易理解并记忆深刻。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。