汇交力系示教仪的制作方法

本发明属于教育行业中高中物理、大学力学类课程及工程设计与结构分析中静力学研究的技术领域，特别涉及一种力系，即：各力作用线在同一空间内且汇交于一点的力系（称为汇交力系）的等效转换，如：在一个空间上，多种条件下汇交力的分解与合成、等效与替代的示教的设备。

背景技术：

各力作用线在同一空间内且汇交于一点的力系称为汇交力系。平面汇交力系是汇交力系的一种特例，是最简单、最基本的汇交力系。力学学习中汇交力系的解题方法有两种：即几何法和解析法。汇交力系的示教仪是一种在一个空间内各种条件（如：作业线延长线重合、二力、三力及多力交汇一点等情况）下检测受力平衡条件的一种示教设备。在研究探索汇交力系平衡条件、利用平衡条件求未知力和新结构的设计与分析过程中，也是一种不可或缺的重要验证设备。目前高中物理中有使用弹簧秤和细绳测量力的大小与方向的简单的验证性实验方式；结构力学中检验桁架受力变形量的使用设备；而工程力学实验中，多是测量材料力学性能的使用设备，尚未发现对其受力性质、等效分析、分解与合成进行原理性实验的机器设备的研究和应用。而本发明是基于多种力在一个空间内汇交一点的，设计性创造多种条件下汇交力的分解与合成、等效与替代的检验实验的汇交力系的示教设备。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种通过钢丝绳、拉力传感器、砝码、滑轮和框架搭建的一个汇交力系，完成不同位置施加不同或相同载荷、在特定角度安置拉力传感器来测量分力，以及了解绳索与坐标轴之间的角度变化与力的分解关系，从而验证平面汇交力系的平衡条件和等效作用，借助于汇交力系的实际施加力的值，拉力传感器测定值及变换钢丝绳与轴之间的角度，达到验证平行四边形法则的作用，检测结构内受力条件的示教装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种汇交力系示教仪，其特征是：由框架、摇杆、摆杆和多组滑轮、钢丝绳、砝码及拉力传感器组成的示教仪，用固定脚与螺栓组件12将框架梁35固定，组成正方体框架4；用螺母42将止推轴承组43固定在芯轴44，芯轴套轴41套在止推轴承组43外侧，芯轴44通过固定板45固定在框架4顶部中心上，轮轴a1通过滑轮a固定支架34与滑轮a33形成活动链接，芯轴套轴41与滑轮a固定支架34活动连接，摇杆3套在芯轴套轴41外侧，形成活动连接；可调固定架a13、可调固定架c51、可调固定架d52和可调固定架b50的一端分别固定在框架4的四个垂直面的中心上，另一端分别与x轴正向拉力传感器14、x轴负向拉力传感器27、y轴负向拉力传感器48和y轴正向拉力传感器47连接，分别用加强固定架a15、加强固定架b26、加强固定支架c36和加强固定支架d37对x轴正向拉力传感器14、x轴负向拉力传感器27、y轴负向拉力传感器48和y轴正向拉力传感器47限位，钢丝绳d16、钢丝绳h28、钢丝绳l49和钢丝绳k46一端分别连接x轴正向拉力传感器14、x轴负向拉力传感器27、y轴负向拉力传感器48和y轴正向拉力传感器47，另一端连接汇交点17，分别调整可调固定架a13、可调固定架c51、可调固定架d52和可调固定架b50，使钢丝绳d16与钢丝绳h28构成x轴、钢丝绳l49与钢丝绳k46构成y轴，使x轴与y轴相互垂直，同时对钢丝绳施加预紧力，使x轴正向拉力传感器14测量值等于x轴负向拉力传感器27测量值、y轴负向拉力传感器48测量值等于y轴正向拉力传感器47测量值，z轴负向拉力传感器22用可调固定架e53固定限位在框架4的底面的中心上，钢丝绳f21一端连接z轴负向拉力传感器22，另一端施加预紧力后连接汇交点17，钢丝绳a31一端连接汇交点17，另一端绕过滑轮a33与配重砝码a2连接，调整可调固定架e53和固定板45的位置，使钢丝绳a31连接汇交点17的一端与钢丝绳f21构成z轴，并使x轴与y轴与z轴分别垂直，同时对钢丝绳f21施加预紧力，使z轴负向拉力传感器22测量值等于砝码a2的质量，组成在框架4内的x-y-z轴上的平衡力系；万向滑轮组件a6、万向滑轮组件b18、万向滑轮组件c24、万向滑轮组件d32和万向滑轮组件e39可分别安装在框架4的任意一个框架梁35上的任意点，摆杆7通过轴54与摇杆3活动链接，滑轮b8通过轮轴b55与摆杆7活动链接；钢丝绳b5、钢丝绳c9、钢丝绳e20、钢丝绳g23、钢丝绳i29和钢丝绳j38一端连接汇交点17，另一端在示教时绕过对应的万向滑轮组件与相应的砝码连接，完成其它示教、验证平行四边形法则的任务。

根据前一种测量结构所述的一种汇交力系示教仪，当使摇杆31绕芯轴套轴41旋转，摆杆7带动滑轮b8和钢丝绳a31与砝码c11绕z轴运动，变换钢丝绳a31与x轴、与y轴的角度，观察x轴正向拉力传感器14、x轴负向拉力传感器27、y轴正向拉力传感器47和y轴负向拉力传感器48的示值变化；摇杆31不动，摆杆7绕带动滑轮b8和钢丝绳a31与砝码c11绕轴54运动，观察x轴正向拉力传感器14、x轴负向拉力传感器27、y轴正向拉力传感器47、y轴负向拉力传感器48和z轴负向拉力传感器22的示值变化，进而砝码c11汇交点17施加的力在三坐标上的分力及使力角度对三坐标上的分力的影响，验证平行四边形法则。

根据第一种测量结构所述的一种汇交力系的示教仪，将万向滑轮组件c24固定在框架梁35上的任意点，钢丝绳g23绕过万向滑轮组件c24与砝码e25连接，砝码e25的重力通过钢丝绳g23施加在汇交点17上，观察三轴上各拉力传感器的示值；旋转摇杆31，摆动摆杆7，变换钢丝绳a31与x轴、与y轴、与z轴的角度，观察各拉力传感器的示值变化；调整砝码c11的质量，观察各拉力传感器的示值变化，当砝码c11的质量与砝码e25的质量相等，万向滑轮组件c24中滑轮轴的轴线、汇交点17与轮轴b55在一条直线上时，三坐标上的各拉力传感器的示值恢复原值，证明力系恢复平衡，进一步验证平行四边形法则。

根据前一种测量结构所述的一种汇交力系示教仪，将万向滑轮组件a6和万向滑轮组件c24分别固定在框架梁35上不同的任意点，钢丝绳b5绕过万向滑轮组件a6与砝码b10连接，砝码b10和砝码e25的重力分别通过钢丝绳b5和钢丝绳g23施加在汇交点17上，观察三轴上各拉力传感器的示值；旋转摇杆31，摆动摆杆7，变换钢丝绳a31与x轴、与y轴、与z轴的角度，观察各拉力传感器的示值变化；调整砝码c11的质量，观察各拉力传感器的示值变化，三坐标上的各拉力传感器的示值恢复原值，证明力系恢复平衡，证明砝码b10和砝码e25作用在汇交点17上的合力与砝码c11的作用在汇交点17上的力大小相等方向相反，获得三力平衡条件，进一步验证平行四边形法则。

根据前一种测量结构所述的一种汇交力系示教仪，将万向滑轮组件a6、万向滑轮组件b18、万向滑轮组件c24、万向滑轮组件d32和万向滑轮组件e39可分别安装在框架梁35上不同的任意点，钢丝绳b5、钢丝绳e20、钢丝绳g23、钢丝绳i29和钢丝绳j38一端连接汇交点17，另一端分别绕过绕过万向滑轮组件a6、万向滑轮组件b18、万向滑轮组件c24、万向滑轮组件d32和万向滑轮组件e39与相应的砝码b10、砝码d19、砝码e25、砝码f30和砝码g40连接，各砝码的重力分别通过各自的钢丝绳施加在汇交点17上，观察三轴上各拉力传感器的示值；旋转摇杆31，摆动摆杆7，变换钢丝绳a31与x轴、与y轴、与z轴的角度，观察各拉力传感器的示值变化；调整砝码c11的质量，观察各拉力传感器的示值变化，在三坐标上的各拉力传感器的示值恢复原值，证明力系再度恢复平衡，证明作用在汇交点17上的合力与砝码c11的作用在汇交点17上的力大小相等方向相反，获得多力平衡条件，进一步验证平行四边形法则。

本发明的有益效果：

一种汇交力系示教仪，由框架和多组滑轮、钢丝绳、砝码及拉力传感器组成示教仪，在x-y-z轴三个方向上，分别用拉力传感器与框架连接，钢丝绳各自轴上的两个拉力传感器，通过预紧力达到同轴上的拉力传感器数值相等，即达到平衡，此时，在坐标轴轴线上的钢丝绳在框架内汇交一点，形成平衡的汇交力系；用其他钢丝绳一端连接汇交点，另一端分别绕各自滑轮后连接砝码，分别读取砝码质量和拉力传感器的数据，获得这些的合力在坐标轴上的分力情况，验证平行四边形法则；同理，选取一个钢丝绳对汇交点施加作用力，用摇杆和摆杆调整其对三轴的角度，获得该条件下力在同轴或同面上的分力或合力情况，进一步验证平行四边形法则。具体地说，就是：

1.用型材搭建示教仪正六面体框架，在正六面体的每个面的中心固定拉力传感器，用加强固定支架限位，用钢丝绳将同轴的拉力传感器连接，并施加预紧力，获得x-y-z三轴，且三轴交于正六面体体心，锁紧汇交点，得到有预紧力的三维汇交力系。

2.通过调整轮轴a上摇杆和摆杆，改变钢丝绳与x-y-z三轴的相对角度，观察角度变化对各轴受力的影响。

3.通过安装固定一个万向滑轮，并将栓有砝码的钢丝绳绕滑轮与汇交点连接，获得平衡系外作用力对原平衡系的受力影响；再安装固定另一个万向滑轮，也将连有砝码的钢丝绳绕滑轮与汇交点连接，调整砝码的质量和与平衡系间的角度，获得新的平衡，验证平衡系外两作用力的平衡条件，及对原平衡系的受力影响。

4.在如前放置的两个滑轮外，再安装固定第三个万向滑轮，也将连有砝码的钢丝绳绕滑轮与汇交点连接，调整三个砝码的质量和与平衡系间的角度，获得新的平衡，验证平面汇交力系情况下，力的等效与替换、合力与分力的条件，进一步验证平行四边形法则。

5.在如前放置的滑轮外，再安装固定多个万向滑轮，构成空间汇交体系，调整各砝码的质量和与平衡系间的角度，获得新的平衡，演示复杂的汇交力系情况下，力的等效与替换、合力与分力的条件，进一步验证平行四边形法则。

附图说明：

图1是本发明的结构示意图，是图3的a-a剖面图；

图2是图1的俯视图；

图3是图1的b-b剖面图；

图4是图1的c-c剖面图；

图5是图1的d-d剖面图。

图中：1.轮轴a，2.砝码a，3.摇杆，4.框架，5.钢丝绳b，6.万向滑轮组件a，7.摆杆，8.滑轮b，9.钢丝绳c，10.砝码b，11.砝码c，12.固定脚与螺栓组件，13.可调固定架a，14.x轴正向拉力传感器，15.加强固定架a，16.钢丝绳d，17.汇交点，18.万向滑轮组件b，19.砝码d，20.钢丝绳e，21.钢丝绳f，22.z轴负向拉力传感器，23.钢丝绳g，24.万向滑轮组件c，25.砝码e，26.加强固定架b，27.x轴负向拉力传感器，28.钢丝绳h，29.钢丝绳i，30.砝码f，31.钢丝绳a，32.万向滑轮组件d，33.滑轮a，34.滑轮a固定支架，35.框架梁，36.加强固定支架c，37.加强固定支架d，38.钢丝绳j，39.万向滑轮组件e，40.砝码g，41.芯轴套轴，42.螺母，43.止推轴承组，44.芯轴，45.固定板，46.钢丝绳k，47.y轴正向拉力传感器，48.y轴负向拉力传感器，49.钢丝绳l，50.可调固定架b，51.可调固定架c，52.可调固定架d，53.可调固定架e，54.轴，55.轮轴b。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

一种汇交力系示教仪，如图1-5所示，其特征是：由框架、摇杆、摆杆和多组滑轮、钢丝绳、砝码及拉力传感器组成的示教仪，用固定脚与螺栓组件12将框架梁35固定，组成正方体框架4；用螺母42将止推轴承组43固定在芯轴44，芯轴套轴41套在止推轴承组43外侧，芯轴44通过固定板45固定在框架4顶部中心上，轮轴a1通过滑轮a固定支架34与滑轮a33形成活动链接，芯轴套轴41与滑轮a固定支架34活动连接，摇杆3套在芯轴套轴41外侧，形成活动连接；可调固定架a13、可调固定架c51、可调固定架d52和可调固定架b50的一端分别固定在框架4的四个垂直面的中心上，另一端分别与x轴正向拉力传感器14、x轴负向拉力传感器27、y轴负向拉力传感器48和y轴正向拉力传感器47连接，分别用加强固定架a15、加强固定架b26、加强固定支架c36和加强固定支架d37对x轴正向拉力传感器14、x轴负向拉力传感器27、y轴负向拉力传感器48和y轴正向拉力传感器47限位，钢丝绳d16、钢丝绳h28、钢丝绳l49和钢丝绳k46一端分别连接x轴正向拉力传感器14、x轴负向拉力传感器27、y轴负向拉力传感器48和y轴正向拉力传感器47，另一端连接汇交点17，分别调整可调固定架a13、可调固定架c51、可调固定架d52和可调固定架b50，使钢丝绳d16与钢丝绳h28构成x轴、钢丝绳l49与钢丝绳k46构成y轴，使x轴与y轴相互垂直，同时对钢丝绳施加预紧力，使x轴正向拉力传感器14测量值等于x轴负向拉力传感器27测量值、y轴负向拉力传感器48测量值等于y轴正向拉力传感器47测量值，z轴负向拉力传感器22用可调固定架e53固定限位在框架4的底面的中心上，钢丝绳f21一端连接z轴负向拉力传感器22，另一端施加预紧力后连接汇交点17，钢丝绳a31一端连接汇交点17，另一端绕过滑轮a33与配重砝码a2连接，调整可调固定架e53和固定板45的位置，使钢丝绳a31连接汇交点17的一端与钢丝绳f21构成z轴，并使x轴与y轴与z轴分别垂直，同时对钢丝绳f21施加预紧力，使z轴负向拉力传感器22测量值等于砝码a2的质量，组成在框架4内的x-y-z轴上的平衡力系；万向滑轮组件a6、万向滑轮组件b18、万向滑轮组件c24、万向滑轮组件d32和万向滑轮组件e39可分别安装在框架4的任意一个框架梁35上的任意点，摆杆7通过轴54与摇杆3活动链接，滑轮b8通过轮轴b55与摆杆7活动链接；钢丝绳b5、钢丝绳c9、钢丝绳e20、钢丝绳g23、钢丝绳i29和钢丝绳j38一端连接汇交点17，另一端在示教时绕过对应的万向滑轮组件与相应的砝码连接，完成其它示教、验证平行四边形法则的任务。

根据前一种测量结构所述的一种汇交力系示教仪，其特征是：使摇杆31绕芯轴套轴41旋转，摆杆7带动滑轮b8和钢丝绳a31与砝码c11绕z轴运动，变换钢丝绳a31与x轴、与y轴的角度，观察x轴正向拉力传感器14、x轴负向拉力传感器27、y轴正向拉力传感器47和y轴负向拉力传感器48的示值变化；摇杆31不动，摆杆7绕带动滑轮b8和钢丝绳a31与砝码c11绕轴54运动，观察x轴正向拉力传感器14、x轴负向拉力传感器27、y轴正向拉力传感器47、y轴负向拉力传感器48和z轴负向拉力传感器22的示值变化，进而砝码c11汇交点17施加的力在三坐标上的分力及使力角度对三坐标上的分力的影响，验证平行四边形法则。

根据第一种测量结构所述的一种汇交力系示教仪，如图1-2所示，其特征是：将万向滑轮组件c24固定在框架梁35上的任意点，钢丝绳g23绕过万向滑轮组件c24与砝码e25连接，砝码e25的重力通过钢丝绳g23施加在汇交点17上，观察三轴上各拉力传感器的示值；旋转摇杆31，摆动摆杆7，变换钢丝绳a31与x轴、与y轴、与z轴的角度，观察各拉力传感器的示值变化；调整砝码c11的质量，观察各拉力传感器的示值变化，当砝码c11的质量与砝码e25的质量相等，万向滑轮组件c24中滑轮轴的轴线、汇交点17与轮轴b55在一条直线上时，三坐标上的各拉力传感器的示值恢复原值，证明力系恢复平衡，进一步验证平行四边形法则。

根据前一种测量结构所述的一种汇交力系示教仪，如图1-2所示，其特征是：将万向滑轮组件a6和万向滑轮组件c24分别固定在框架梁35上不同的任意点，钢丝绳b5绕过万向滑轮组件a6与砝码b10连接，砝码b10和砝码e25的重力分别通过钢丝绳b5和钢丝绳g23施加在汇交点17上，观察三轴上各拉力传感器的示值；旋转摇杆31，摆动摆杆7，变换钢丝绳a31与x轴、与y轴、与z轴的角度，观察各拉力传感器的示值变化；调整砝码c11的质量，观察各拉力传感器的示值变化，三坐标上的各拉力传感器的示值恢复原值，证明力系恢复平衡，证明砝码b10和砝码e25作用在汇交点17上的合力与砝码c11的作用在汇交点17上的力大小相等方向相反，获得三力平衡条件，进一步验证平行四边形法则。

根据前一种测量结构所述的一种汇交力系示教仪，其特征是：将万向滑轮组件a6、万向滑轮组件b18、万向滑轮组件c24、万向滑轮组件d32和万向滑轮组件e39可分别安装在框架梁35上不同的任意点，钢丝绳b5、钢丝绳e20、钢丝绳g23、钢丝绳i29和钢丝绳j38一端连接汇交点17，另一端分别绕过绕过万向滑轮组件a6、万向滑轮组件b18、万向滑轮组件c24、万向滑轮组件d32和万向滑轮组件e39与相应的砝码b10、砝码d19、砝码e25、砝码f30和砝码g40连接，各砝码的重力分别通过各自的钢丝绳施加在汇交点17上，观察三轴上各拉力传感器的示值；旋转摇杆31，摆动摆杆7，变换钢丝绳a31与x轴、与y轴、与z轴的角度，观察各拉力传感器的示值变化；调整砝码c11的质量，观察各拉力传感器的示值变化，在三坐标上的各拉力传感器的示值恢复原值，证明力系再度恢复平衡，证明作用在汇交点17上的合力与砝码c11的作用在汇交点17上的力大小相等方向相反，获得多力平衡条件，进一步验证平行四边形法则。