专利名称：力矩平衡动量定律实验仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及实验量测仪器，尤其涉及一种力矩平衡动量实验仪。
背景技术：
动量定律是流体力学、水力学的基本理论之一，其动量方程是理论力学中的动量
定律在流体力学、水力学中数学表达式。它反映了流体运动的动量变化与作用力之间的关 系，其特点在于不必知道流动范围内部的流动过程，而只需要知道其边界上的流动情况即 可，因而它可用来方便解决急变流中流体与边界面之间的相互作用力问题。因此，动量定律 的实验是教学环节中不可缺少的内容。 由于流体的流速u在过流断面上的分布一般难以确定，为简化研究起见，在工程 实际中通常用断面平均流速v代替u计算总流动量，但按v计算的动量与实际动量存有差 异，所造成的误差以动量修正因数P来修正。动量修正因数是表示单位时间内通过端面的 实际动量与单位时间内以相应的断面平均流速通过的动量的比值。 目前，基于流体力学专业的动量定律实验教学，不论是在国内还是国际上，其实验 装置相对较少，且部分实验装置存在着不尽合理之处，尤其是采用人工或机械测力方法之 类的实验装置，其弊端一，方法不够直观，且实验操作烦琐、费时，装置调校烦琐而难以准 确，对动量守恒概念的理解无多大直接帮助；二，有些靠手工配重或机械平衡的装置，平衡 时间长，极难稳定，精度受人为因数干扰极大；三，采用机械测力的装置，机械传力机构间不 可避免地存在着摩擦，长时间机构受到磨损，或其他外力影响，影响实验精度，绝大部分实 验设备既不能定量地验证动量定律，更无法测定射流的动量修正因数P值。因此，如何设 计一个既能形象直观显示动量力，便于学生理解，同时又能精确测定其实验数据的动量实 验装置，对流体力学专业的动量定律实验教学尤为重要。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种力矩平衡动量实验仪。 力矩平衡动量实验仪具有蓄水箱，在蓄水箱上方设有工作水箱；工作水箱底部开
口与蓄水箱连通，工作水箱一侧壁上设有喷嘴，蓄水箱内设有可调速水泵，可调速水泵出口
端通过输水管道与喷嘴连接，输水管道上设有流量计；工作水箱上方设有支点，L形杠杆置
于支点上，L形杠杆拐角端伸入工作水箱内，L形杠杆拐角端头部设有与喷嘴相对应的冲击
板，L形杠杆另一端通过可调螺母与支撑杆一端连接，L形杠杆上设置水准泡，支撑杆另一
端压在电子秤上。 所述的冲击板形状为与喷嘴管轴线成30。 、45° 、60° 、90°角度的平板。所述的 冲击板形状为以喷嘴管轴线为轴对称线的纺锤壳体。所述的冲击板形状为以喷嘴管轴线为 轴对称线的半球壳体。 本发明与现有技术相比具有的有益效果 1)独立的自循环供水系统，无须专门实验场地建设，并采用220V二相市电，功率小，节约资源； 2)精简实验装置，运用大家所熟知的杠杆原理，突出各个实验环节，实验运行思路 形象直观、一 目了然，装置调校、操作简便； 3)无任何中间传力机构，避免了不必要的误差产生； 4)同时利用现代量测手段，摈弃了守旧的人工配重方法，消除人为因数对实验造 成的影响，实验更精确可靠，适合于现代教学要求。
图1是力矩平衡动量定律实验仪结构示意图；
图2力矩平衡受力示意图； 图中工作水箱1、喷嘴2、冲击板3、流量计4、输水管道5、蓄水箱6、可调速水泵7、 支点8、 L形杠杆9、水准泡10、可调螺母11、支撑杆12、电子秤13。
具体实施例方式
如图1所示，力矩平衡动量实验仪具有蓄水箱6，在蓄水箱6上方设有工作水箱1 ; 工作水箱1底部开口与蓄水箱6连通，工作水箱1 一侧壁上设有喷嘴2，蓄水箱6内设有可 调速水泵7，可调速水泵7出口端通过输水管道5与喷嘴2连接，输水管道5上设有流量计 4 ;工作水箱)上方设有支点8， L形杠杆9置于支点8上，L形杠杆9拐角端伸入工作水箱 1内，L形杠杆9拐角端头部设有与喷嘴2相对应的冲击板3， L形杠杆9另一端通过可调螺 母11与支撑杆12 —端连接，L形杠杆9上设置水准泡IO，支撑杆12另一端压在电子秤13 上。 所述的冲击板3形状为与喷嘴2管轴线成30。 、45° 、60° 、90°角度的平板。或 以喷嘴2管轴线为轴对称线的纺锤壳体。或以喷嘴2管轴线为轴对称线的半球壳体。
通电启动水泵，蓄水箱内水体经水泵提压稳压后经输水管道，从喷嘴射出，冲击到 冲击板，水体落入工作水箱内，最后由工作水箱底部开口处流回蓄水箱内。水体流量由输水 管道上流量计测得，水体冲击冲击板的力经杠杆传力在电子秤上反映。由此可测定冲击板 所收动量力及动量修正因数。
—、动量力 本发明的实验装置，受力机构其工作原理，是基于力矩平衡方程(见图2)，其方程 式为 FxXl,PXl2 (1) 式中FX——冲击板受到的动量力； P——支撑杆的反作用力，有电子秤直接测读； lp 12——分别为动量力和反作用力的力臂。 二、动量修正因数 本发明的实验，将冲击板选装90。冲击平板，其工作原理，是基于恒定总流的动量 定律，其方程式为 <formula>formula see original document page 4</formula> (2) 若定义水流的来流方向为x方向，则x方向的动量定律方程为
Fx= pQ(e2u2xUlx) (3) 由于水流在冲击平板之后，与来流方向呈90。角射出，故ulx= h、 u2x =
u2cOS90° = O，则x方向的动量定律方程可化为 Fx = P Q(O-P ! u》=-p ! ^ (4) 以上3式中,——动量力矢量； p——流体的密度； Q——流体的流量； |3 p |3 2——分别为流入和流出冲击平板的流体的动量修正因素；
&、 &—分别为流入和流出冲击平板的流体的平均速度矢。 本实验动量力参照上述"动量力"方法测定；喷嘴的流体的流量Q可通过流量计测
定、再测得喷嘴管径，可计算得出该出流水体的动量修正因数。 实验内容 (1)测量水流的动量力Fx。 启动蓄水箱内水泵，蓄水箱内水体经出喷嘴内射出，直接冲击冲击板，冲击板所受
冲击力与支撑杆形成的反作用力达到力矩平衡，测定12力臂，再经电子秤得到反作用力
P，即可计算动量力Fx。
(2)测定水流的动量修正因数13 设置出流冲击板，消除垂直出流分量使v2x = 0。 动量方程 Fx = p Q ( P 2 u 2x- P ! u lx) 中的.w传给实验仪器，由于没有导向装置，v2x往往不完全为零，本实验装置可选 用冲击平板与射流的入射速度矢量A相垂直，射流冲击平板后，沿垂直于x轴方向离开冲击 平板，因此达到了严格控制速度矢量&与入口速度矢量A成90.角，使动量定律中v2x = 0。
动量方程可简化为 Fx= pQ(e2u2x-PlUlx) = pQ(0-^uJ 本实验装置，经上述实验内容(l)，测得该水流的动量力F,，同时测得相应状态下 回水管道内流量Q以及出流管嘴的管径d，由此可计算得出流速vlx，运用动量方程Fx = pQ(P2u2x-|3lUlx)可计算得出该出流水体的动量修正因数13。 [OO49] (3)验证2x 0对动量力Fx的影响。 以某次实验为例，本发明实验装置，经上述实验内容(l)，测得该水流的动量力Fx 值为77. 3克(即0. 758牛顿)，更换平板，使水流冲击到平板后，呈现出回流与x方向的有 一夹角〉90(即v^0)的水力现象。调整好位置，使反射水流的回射角度一致。测得反射角 135，力传感器测得动量力Fx'值为114.0克(即1.117牛顿)。表明V2x若不为零，对动量
力影响甚大。因为v^不为零，则动量方程变为 Fx = pQ(P2u2x-PlUlx) = — P Q[P ! u lx+P2 u2cos(180° —a)] 就是说F/随^及递增。 成果分析 测定本实验装置的精度。
本发明实验装置，根据动量方程# = / ( (-^2 - ，x方向的动量定律方程可简 化为
<formula>formula see original document page 6</formula> 故测得动量修正因素13精度受到F,、Q、^三个因素的精度影响，动量力F,精度与 电子秤的精度有关，Q、^精度与水流恒定有关。针对上述三个因素，本发明实验装置在设计 过程中中，对相应机构作专门选型。对于测定F,值的电子秤，这类设备目前国内技术已较成 熟，在本装置中，选用感量为0. 1克的电子秤，经某次实验测试，实测冲击力为77. 3克(即 0. 758牛顿)，且基本稳定在77. 3克(即0. 758牛顿)，故其偏差率为±0. 06%《±0. 1 % 。 在测量流量方面，本装置选用0. 4级流量计，经实验测试，某次流量，经四次测量，测得流量 分别为321. 3ml/s、322. 3ml/s、320. lml/s、321. 9ml/s，平均流量为321. 4ml/s，故其最大偏 差率为±0.2%《±0.4%。所以本实验装置的精度可以达到1%以上。因此，本发明使动 量教学实验仪实现了用力矩平衡的方法第一次形象而且高精度地测量到了动量力F,，甚至 动量修正因素P值。
权利要求
一种力矩平衡动量实验仪，其特征在于它具有蓄水箱(6)，在蓄水箱(6)上方设有工作水箱(1)；工作水箱(1)底部开口与蓄水箱(6)连通，工作水箱(1)一侧壁上设有喷嘴(2)，蓄水箱(6)内设有可调速水泵(7)，可调速水泵(7)出口端通过输水管道(5)与喷嘴(2)连接，输水管道(5)上设有流量计(4)；工作水箱(1)上方设有支点(8)，L形杠杆(9)置于支点(8)上，L形杠杆(9)拐角端伸入工作水箱(1)内，L形杠杆(9)拐角端头部设有与喷嘴(2)相对应的冲击板(3)，L形杠杆(9)另一端通过可调螺母(11)与支撑杆(12)一端连接，L形杠杆(9)上设置水准泡(10)，支撑杆(12)另一端压在电子秤(13)上。
2. 根据权利要求l所述的一种力矩平衡动量实验仪，其特征在于，所述的冲击板(3)形 状为与喷嘴(2)管轴线成30° 、45° 、60° 、90°角度的平板。
3. 根据权利要求l所述的一种力矩平衡动量实验仪，其特征在于，所述的冲击板(3)形 状为以喷嘴(2)管轴线为轴对称线的纺锤壳体。
4. 根据权利要求l所述的一种力矩平衡动量实验仪，其特征在于，所述的冲击板(3)形 状为以喷嘴(2)管轴线为轴对称线的半球壳体。
全文摘要
本发明公开了一种力矩平衡动量实验仪。它具有蓄水箱，在蓄水箱上方设有工作水箱；工作水箱底部开口与蓄水箱连通，工作水箱侧壁上设有喷嘴，蓄水箱内设可调速水泵，可调速水泵出口端通过输水管道与喷嘴连接，输水管道上设有流量计；工作水箱上方设支点，L形杠杆置于支点上，L形杠杆拐角端伸入工作水箱内，L形杠杆拐角端头部设有与喷嘴相对应的冲击板，L形杠杆另一端通过可调螺母与支撑杆一端连接，L形杠杆上设置水准泡，支撑杆另一端压在电子秤上，冲击板为平板或纺锤壳体或半球壳体。本发明采用自循环供水系统；首创利用杠杆力矩平衡的方法，并首创采用高精度电子秤直接测定动量力，形象直观；便于教学，无外力影响，数据更加真实可靠。
文档编号G09B23/12GK101739874SQ20101010616
公开日2010年6月16日 申请日期2010年2月2日 优先权日2010年2月2日
发明者万五一, 毛根海, 毛欣炜, 程伟平, 胡云进 申请人:浙江大学