专利名称：分岔现象演示仪的制作方法
所属领域本发明属于教学及科研演示仪，涉及力学分岔，特别涉及pitch fork(叉型)分岔现象的演示仪器。
背景技术：
分岔现象是现代力学中普遍存在的现象，它具有不确定性的特点。在实际的工作中分岔现象的概念比较抽象，难于理解，使人往往造成概念模糊等问题。不利于教学以及科研的开展。当前尚未有合适、直观的分岔现象演示的教学仪器，影响教学质量。为了满足教学、科研的需要，研制分岔现象演示仪很有必要。
发明内容
解决问题针对上述问题，本发明的目的在于研制分岔现象演示仪。将分岔现象用较简单的机械和动力系统演示出来，克服分岔现象比较抽象、难于理解、往往使人造成概念模糊等问题，给人直观的感性认识、便于对分岔概念的理解，利于教学和科研。
技术方案分岔现象演示仪，由演示部分、动力及机械传动部分和固定支撑部分组成；其中动力及机械传动部分主要包括电机1、电机调速控制盒2、和旋转支架4，演示部分包括演示滑环7、U型旋转环6、偏心距调整板5、和灯8，固定支撑部分包括电机固定架3、上层梁板9、下层梁板10、支撑架11、轴承12和螺栓16，其联接方式是上层梁板9和下层梁板10分别水平固定在支撑架11上，构成仪器总体支架，在上、下层梁板上的中心部位分别有圆孔，安放轴承12，将电机1通过带有圆孔的电机固定架3固定在上层梁板9上，旋转支架4与电机轴连接，同时又与偏心距调整板5连接，另将套有演示滑环7的U型旋转环6垂直固定在偏心距调整板5的两端，电机调速控制盒2固定在支撑架11的底座上，控制电机1。
需要说明的是旋转支架4呈T型，包括竖直圆柱和水平底座两部分。圆柱垂直固定在水平底座上，圆柱顶端铣出能套放电机轴的圆槽。水平底座下铸有两个对称的方框，水平底座面上装配螺栓16。水平底座侧面的中心部位处涂有指示标记。旋转支架4的竖直圆柱与电机轴的连接方法是将旋转支架4的圆柱依次套放轴承12、套筒13和轴承12。套筒13安放在上下两个轴承12之间，下轴承12嵌放在下层梁板10的圆孔上，起承载作用。上下轴承12固定套筒13，减小旋转支架4径向跳动，再用销14将套筒13与旋转支架4的圆柱固定，使旋转支架4、套筒13及轴承12成为一个整体。将电机轴插入旋转支架4顶端铣出的圆槽内，再用销15将圆柱与电机轴固定，使电机1与旋转支架4连接。
偏心距调整板5穿搭在旋转支架4水平底座下铸有的两个对称的方框上。演示时用螺栓16与旋转支架4的水平底座固定。偏心距调整板5侧面上标有刻度和中心指示标记，用来确定偏心距调整板5在旋转支架4的水平底座上平滑移动后U型旋转环6的偏心程度。
在U型旋转环6上，以轴为对称的两部分要分别涂有不同颜色，以利旋转演示时观察。
旋转支架4的轴与套桶13、轴承12、电机1的转轴同轴心。
电机1为交流连续可调电机。演示部分的演示滑环7、U型旋转环6、偏心距调整板5和旋转支架4采用低密度金属制造。销14和销15采用高强度金属制造，并采用防脱落处理。
轴承12采用深沟球轴承。
分岔现象演示仪的使用方法(1)使用该仪器进行演示完全分岔现象，采用不偏心旋转。调整偏心距调整板5，使上面中心标记与旋转支架4上中心标记对齐；然后拧紧旋转支架4上的螺栓16。打开电机调速控制盒2上的电源，慢慢增大电机转速，演示滑环7从U型旋转环6的最底端向一侧移动(升高)；调节电机调速控制盒2，电机1转速越快，演示滑环7移动幅度越大(上升得越高)；缓慢减小电机转速，演示滑环7逐渐回到U型旋转环6的最底端；重复以上演示过程若干次，并记录演示滑环7在U型旋转环6上的移动方向(可观察到演示滑环7向U型旋转环6两侧移动的几率为等概率)。
(2)使用该仪器演示不完全分岔现象，采用偏心旋转。因为U型旋转环6为对称结构，所以向任一边偏心结果是等效的。首先取偏心调整板5上的中心位线两侧的任意一点与旋转支架4上的中心标记对齐，并用螺栓16固定好，再将演示滑环7分别放于以下两种位置·将演示滑环7放于偏U型旋转环6的底部。打开电机调速控制盒2上的电源，慢慢增大电机转速，可以看到演示滑环7只向U型旋转环6一侧移动(升高)；随着电机转速匀速增加，可以看到演示滑环7移动的现象是非匀速的，即速度的变化是由慢变快再变慢；减小电机转速，演示滑环7回到U型旋转环6底部，关闭电源，U型旋转环6停止旋转。
·将演示滑环7用双面胶轻轻粘在偏向旋转轴一侧的U型旋转环6上部(U型旋转环6竖直部位)。打开电源，快速提高电机转速，演示滑环7脱离双面胶，向下滑落，但立刻稳定在U型旋转环6偏向旋转轴一侧的半环上；缓慢减小电机转速，演示滑环7缓慢向下移动，且突然由U型旋转环6的偏向旋转轴一侧的半环滑至并稳定在另一侧半环，(这就是不完全分岔现象中的跳跃现象)；再继续减小电机转速，演示滑环7逐渐回到U型旋转环6底部，关闭电源，U型旋转环6停止旋转，结束演示。
分岔现象演示仪采用双层的支撑梁结构，上层梁板用来承担动力部分的重力载荷，下层梁板通过“销——套桶——轴承——梁板”的载荷传递方式承担演示部分的重力载荷。上下两层梁板通过轴承，共同来演示承担结构旋转时产生的不平衡力。演示部分采用螺栓摩擦固定的结构来调整演示部分的偏心距。当电机转动时，就带动演示部分进行旋转，调整转速的大小就可以演示出演示滑环7在U性旋转环6上产生的分岔现象。调节偏心距就可以演示在偏心情况下的分岔现象。
有益效果本发明通过简单的机械结构，和简单的动力系统，将抽象的分岔理论，直观地演示出来，克服分岔理论比较抽象，其概念难于理解、使人往往造成概念模糊等问题。由于分岔现象演示仪给人直观的感性认识、加强了对分岔概念的理解，利于教学和科学研究，填补了该项教学仪器空白，既有经济效益又有社会效益。
图1是分岔现象演示仪示意图；图2是分岔现象演示仪中旋转支架与电机及演示部分连接示意图；图3是分岔现象演示仪中旋转支架与演示部分连接示意图；图4分岔现象演示仪中旋转支架示意图。
具体实施例方式实施例1实施例1图1为分岔现象演示仪实施例图。它由演示部分、动力及机械传动部分和固定支撑部分组成。动力及机械传动部分包括电机1、电机调速控制盒2、T型旋转支架4和轴承12(采用深沟球轴承N6206)。演示部分包括演示滑环7、U型旋转环6(采用φ12铝材制造，两端车有螺纹，用2个M8螺母与偏心距调整板5的两端固定)、偏心距调整板5(330×50×10铝材制造，其两端各打φ10孔)、和灯8。演示仪的固定支撑部分包括上层梁板9(700×150×16)、下层梁板10(700×150×20)、支撑架11、电机固定架3。其联接方式是上层梁板9和下层梁板10分别水平固定在支撑架11上，构成仪器总体支架。在上、下层梁板上的中心部位分别有圆孔，安放轴承12。将电机1通过带有圆孔的电机固定架3固定在上层梁板9上。旋转支架4与电机轴连接，同时又与偏心距调整板5连接，另将套有演示滑环7的U型旋转环6垂直固定在偏心距调整板5的两端。电机调速控制盒2固定在支撑架11的底座上，控制电机1。
需要说明的是旋转支架4呈T型，如图4所示，包括竖直圆柱和水平底座两部分。圆柱(φ1＝30，φ2＝36，φ3＝12，φ4＝10，h1＝140，h2＝30，其中φ3距顶端80，φ4距顶端15)垂直固定在水平底座(120×70×8)上，圆柱顶端铣出能套放电机轴的圆槽。水平底座下铸有两个对称的方框(a＝50，b＝12)，水平底座面上还装配螺栓16(M8)。在水平底座侧面的中心部位处涂有蓝色线做指示标记。如图2所示，旋转支架4的竖直圆柱与电机轴的连接方法是将旋转支架4的圆柱依次套放轴承12、套筒13(φ1＝38，φ2＝32，h＝60)、和轴承12，套筒13安放在上下两个轴承12之间，下轴承12嵌放在下层梁板10的圆孔上起承载作用，上下轴承12固定套筒13，减小旋转支架4径向跳动，并用销14(φ12)将套筒13与旋转支架4的圆柱下端固定，使旋转支架4、套筒13及轴承12成为一个整体，将电机轴插入旋转支架4顶端铣出的圆槽内，再用销15(φ10)将圆柱与电机轴固定，使电机1与旋转支架4连接。
偏心距调整板5穿搭在旋转支架4水平底座下铸有的两个对称的方框上，演示时用螺栓16与旋转支架4的水平底座固定；如图3所示，偏心距调整板5上标有红色刻度和蓝色中心指示标记(正中间用蓝色标记，两边每隔5mm用一红色刻度标识)，用来确定U型旋转环6在旋转支架4上平滑移动后的偏心程度。在U型旋转环6上，以轴为对称的两部分要分别标涂有红和绿不同颜色，以利演示时观察。
电机调速控制盒2包括液晶显示屏，用来显示实时转速；按钮，用来打开和关闭电源；一个旋钮，用来小幅调整转速范围(0～10r/min)；另一个旋钮用来大幅调整转速范围(10r/min以上)。
旋转支架4的轴与套桶13、轴承12、电机1的转轴同轴心。
电机1为交流连续可调电机，转速调整范围为0～450r/min功率750w；演示部分的演示滑环7、U型旋转环6和偏心距调整板5采用低密度金属制造，本例采用铝。销14、销15、套筒13采用高强度金属制造，本例使用45#钢，销14、销15采用防脱落处理。本仪器除注明选用材料外，均选用钢(Q235)。长度单位均为毫米。
轴承12采用深沟球轴承(GB/T276-1994 6206)。分岔现象演示仪采用双层的支撑梁结构，上层梁板9用来承担动力部分的重力载荷，下层梁板10通过“销14——套桶13——下轴承12——下层梁板10”的载荷传递方式承担演示部分的重力载荷。上下两层梁板9、10通过轴承12，共同来演示承担结构旋转时产生的不平衡力。演示部分采用螺栓摩擦固定的结构来调整演示部分的偏心距。当电机转动时，就带动演示部分进行旋转，调整转速的大小就可以演示出演示滑环7在U型旋转环6上产生的分岔现象。调节偏心距就可以演示在偏心旋转情况下的分岔现象。
使用该仪器进行演示时，其方法如下(1)演示完全分岔现象(采用不偏心旋转方法)旋转支架4与偏心调整板5的相对位置如图1所示。调整偏心距调整板5，使它上面的蓝色中心标记与旋转支架4上的蓝色中心标记对齐；打开电机调速控制盒2上的电源，慢慢增大电机转速，可以看到演示滑环7从U型旋转环6的最底端向一侧移动。调节电机调速控制盒2，电机1转速越快，U型旋转环6移动幅度越大，演示滑环7上升得越高。缓慢减小电机转速，演示滑环7逐渐回到U型旋转环6的最底端。重复以上演示过程若干次，可观察到演示滑环7向U型旋转环6两侧移动的几率为等概率。
(2)演示不完全分岔现象(采用偏心旋转方法)旋转支架4与偏心调整板5的相对位置，如图3所示。因为U型旋转环6为对称结构，所以向任一边偏心结果是等效的。取偏心调整板5上距蓝色中心位线100mm处的红线(偏U型旋转环6红色半环一侧的刻度)与旋转支架4上的蓝色中心标记对齐，并用螺栓16固定好。演示滑环7分别放于以下两种位置·将演示滑环7放于偏U型旋转环6底部。打开电机调速控制盒2上的电源，慢慢增大电机转速，可以看到演示滑环7只向U型旋转环6的绿色一侧移动(升高)，随着电机转速匀速增加，可以看到演示滑环7移动的现象是非匀速的，即速度的变化是由慢变快再变慢。减小电机转速，演示滑环7逐渐回到U型旋转环6的底部。关闭电源，U型旋转环6停止旋转。
·将演示滑环7用双面胶轻轻粘在U型旋转环6上红色一侧的上部(即U型旋转环竖直部位)。打开电源，演示滑环7脱离双面胶，向下滑落一下，随即稳定在U型旋转环6红色半支上(约3/4处)。缓慢减小电机转速，演示滑环7缓慢向下移动，(但尚未达到U型旋转环6的底部)便突然由U型旋转环6的红色半环一侧滑至绿色半环一侧，并稳定在绿色半环上(这就是不完全分岔现象中的跳跃现象)；再继续减小电机转速，演示滑环7逐渐回到U型旋转环6底部，关闭电源，U型旋转环6停止旋转，结束演示。
观察上述现象时，如果将灯8打开，照在U型旋转环6上，更容易观察演示现象的变化。
权利要求
1.分岔现象演示仪，其特征在于由演示部分、动力及机械传动部分和固定支撑部分组成，其中动力及机械传动部分主要包括电机(1)、电机调速控制盒(2)、和旋转支架(4)，演示部分包括演示滑环(7)、U型旋转环(6)、偏心距调整板(5)、和灯(8)，固定支撑部分包括电机固定架(3)、上层梁板(9)、下层梁板(10)、支撑架(11)、轴承(12)和螺栓(16)；其联接方式是上层梁板(9)和下层梁板(10)分别水平固定在支撑架(11)上，构成仪器总体支架，在上、下层梁板上的中心部位分别有圆孔，安放轴承(12)，将电机(1)通过带有圆孔的电机固定架(3)固定在上层梁板(9)上，旋转支架(4)与电机轴连接，同时又与偏心距调整板(5)连接，另将套有演示滑环(7)的U型旋转环(6)垂直固定在偏心距调整板(5)的两端，电机调速控制盒(2)固定在支撑架(11)的底座上，控制电机(1)。
2.按照权利要求1所述的分岔现象演示仪，其特征在于旋转支架(4)呈T型，包括竖直圆柱和水平底座两部分，圆柱垂直固定在水平底座上，圆柱顶端铣出能套放电机轴的圆槽，水平底座下铸有两个对称的方框，水平底座面上装配螺栓(16)，水平底座侧面的中心部位处涂有指示标记；旋转支架(4)的竖直圆柱与电机轴的连接方法是将旋转支架(4)的圆柱依次套放轴承(12)、套筒(13)和轴承(12)，套筒(13)安放在上下两个轴承(12)之间，下轴承(12)嵌放在下层梁板(10)的圆孔上起承载作用，上下轴承(12)固定套筒(13)，减小旋转支架(4)径向跳动，并用销1(14)将套筒(13)与旋转支架(4)的圆柱固定，使旋转支架(4)、套筒(13)及轴承(12)成为一个整体，将电机轴插入旋转支架(4)顶端铣出的圆槽内，再用销2(15)将圆柱与电机轴固定，使电机(1)与旋转支架(4)连接。
3.按照权利要求1所述的分岔现象演示仪，其特征在于偏心距调整板(5)穿搭在旋转支架(4)水平底座下铸有的两个对称的方框上，演示时用螺栓(16)与旋转支架(4)的水平底座固定；偏心距调整板(5)侧面上标有刻度和中心指示标记，用来确定偏心距调整板(5)在旋转支架(4)的水平底座上平滑移动后U型旋转环(6)的偏心程度。
4.按照权利要求1所述的分岔现象演示仪，其特征在于在U型旋转环(6)上，以轴为对称的两部分要分别涂有不同颜色，以利旋转演示时观察。
5.按照权利要求1所述的分岔现象演示仪，其特征在于旋转支架(4)的轴与套桶(13)、轴承(12)、电机(1)的转轴同轴心。
6.按照权利要求1所述的分岔现象演示仪，其特征在于电机(1)为交流连续可调电机；演示部分的演示滑环(7)、U型旋转环(6)、偏心距调整板(5)和旋转支架(4)采用低密度金属制造；销1(14)和销2(15)采用高强度金属制造，并采用防脱落处理。
7.按照权利要求1所述的分岔现象演示仪，其特征在于轴承(12)采用深沟球轴承。
8.权利要求1所述的分岔现象演示仪的使用方法，其特征在于使用该仪器进行演示完全分岔现象，采用不偏心旋转，首先调整偏心距调整板5，使上面中心标记与旋转支架4上中心标记对齐，然后拧紧旋转支架4上的螺栓16；打开电机调速控制盒2上的电源，慢慢增大电机转速，演示滑环7从U型旋转环6的最底端向一侧移动(升高)；调节电机调速控制盒2，电机1转速越快，演示滑环7移动幅度越大(上升得越高)；缓慢减小电机转速，演示滑环7逐渐回到U型旋转环6的最底端；重复以上演示过程若干次，并记录演示滑环7在U型旋转环6上的移动方向。
9.权利要求1所述的分岔现象演示仪的使用方法，其特征在于使用该仪器演示下完全分岔现象，采用偏心旋转，首先取偏心调整板5上的中心位线两侧的任意一点与旋转支架4上的中心标记对齐，并用螺栓16固定好，再将演示滑环7分别放于以下两种位置·将演示滑环7放于偏U型旋转环6的底部。打开电机调速控制盒2上的电源，慢慢增大电机转速，可以看到演示滑环7只向U型旋转环6一侧作升高移动，随着电机转速匀速增加，可以看到演示滑环7移动的现象是非匀速的，即速度的变化是由慢变快再变慢；减小电机转速，演示滑环7回到U型旋转环6底部，关闭电源，U型旋转环6停止旋转；·将演示滑环7用双面胶轻轻粘在偏向旋转轴一侧的U型旋转环6竖直部位；打开电源，快速提高电机转速，演示滑环7脱离双面胶，向下滑落，随即稳定在U型旋转环6偏向旋转轴一侧半环3/4处；缓慢减小电机转速，演示滑环7缓慢向下移动，且突然由U型旋转环6的偏向旋转轴一侧的半环滑至并稳定在另一侧半环；再继续减小电机转速，演示滑环7逐渐回到U型旋转环6底部，关闭电源，U型旋转环6停止旋转，结束演示。
全文摘要
本发明提供了分岔现象演示仪，属于教学演示仪器，涉及力学分岔现象演示仪。本发明目的是将分岔现象用较简单的机械和动力系统演示出来，克服分岔现象其概念难于理解、比较抽象，使人往往造成概念模糊等问题。它是由演示部分、动力及机械传动部分和固定支撑部分组成；包括电机1、轴承12、旋转支架4、偏心距调整板5、U型旋转环6、演示滑环7、上层梁板9、下层梁板10、支撑架11、电机调速控制盒2等部件。将电机轴与旋转支架4连接。旋转支架4套放在偏心调整滑板5上，带有演示滑环7的U型旋转环6固定在偏心调整滑板5上。本发明直观、便于对分岔概念的理解，利于教学和科研工作，为教学仪器增添了新品种，既有经济效益又有社会效益。
文档编号G09B23/00GK1804944SQ200610013030
公开日2006年7月19日 申请日期2006年1月11日 优先权日2006年1月11日
发明者吴志强, 杨帅 申请人:天津大学