便携式汇交力系示教仪的制作方法

本发明属于物理教学或力学教学研究的技术领域，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、弹簧秤、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、在特定角度安置弹簧秤来测量分力，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，弹簧秤测定值及变换绳索与轴之间的角度，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：

一种便携式汇交力系示教仪，其特征是：由框架与摇杆、摆杆和多组伸缩杆、滑轮、钢丝绳、砝码、弹簧秤组成的示教仪，用固定脚与螺栓组件21固定框架梁22组合成正方体的框架1，用把手固定螺丝46将把手25固定在框架1上，分别 用固定架A3、10固定架B、固定架C26、固定架D33、固定架E51和固定架F56将Z轴负向弹簧秤4、X轴正向弹簧秤9、Z轴正向弹簧秤27、X轴负向弹簧秤32、Y轴正向弹簧秤49和Y轴负向弹簧秤57与框架1固定，调节螺栓组A5、调节螺栓组B7、调节螺栓组C28、调节螺栓组D31、调节螺栓组E58和调节螺栓组F63一端分别连接Z轴负向弹簧秤4、X轴正向弹簧秤9、Z轴正向弹簧秤27、X轴负向弹簧秤32、Y轴正向弹簧秤49和Y轴负向弹簧秤57，另一端分别连接钢丝绳A2、钢丝绳B6、钢丝绳H55、钢丝绳E30、钢丝绳J62和钢丝绳I59，且钢丝绳汇交于汇交点29，用加强固定架A8、加强固定架B34，加强固定架C41和加强固定架D48分别给X轴正向弹簧秤9、X轴负向弹簧秤32、Y轴正向弹簧秤49和Y轴负向弹簧秤57限位，调整各调节螺栓组，使相应弹簧秤示数相等，获得X-Y-Z三轴平衡的汇交力系。

根据前一种测量结构所述的一种便携式汇交力系示教仪，其特征是：旋转盘24与固定架C26连接，摇杆23与旋转盘24连接，并绕旋转盘24旋转，摆杆19一端用轴A17连接滑轮A18，另一端用轴B20与摇杆23铰连接，钢丝绳D16一端连接汇交点29，另一端绕过滑轮A18与砝码B14连接，当砝码B14通过钢丝绳D16施加到汇交点29的力时，旋转摇杆23或调整摆杆19位置，通过Z轴负向弹簧秤4、X轴正向弹簧秤9、Z轴正向弹簧秤27、X轴负向弹簧秤32、Y轴正向弹簧秤49和Y轴负向弹簧秤57看到变化，用解析法验证力的分解。

根据前一种测量结构所述的一种便携式汇交力系示教仪，其特征是：伸缩杆B36插入伸缩套管B35中，用锁紧螺丝64和垫圈65控制插入程度，伸缩套管B35用套筒限位轴C60与套筒固定支架C61铰连接，套筒固定支架C61固定在框架1上，当钢丝绳F38一端连接汇交点29，另一端绕过悬挂在伸缩杆B36上的滑轮B37与砝码C39连接时，分别调整伸缩杆B36和摆杆19在平衡力系中的位置，调整砝码B14和砝码C39的质量，通过Z轴负向弹簧秤4、X轴正向弹簧秤9、Z轴正向弹簧秤27、X轴负向弹簧秤32、Y轴正向弹簧秤49和Y轴负向弹簧秤57看到变化，用解析法验证同轴力的平衡条件。

根据前一种测量结构所述的一种便携式汇交力系示教仪，其特征是：伸缩杆A13插入伸缩套管A12中，伸缩套管A12用套筒限位轴B54与套筒固定支架B53铰连接，套筒固定支架B53固定在框架1上，当钢丝绳C15一端连接汇交点29，另一端绕过悬挂在伸缩杆A13上的滑轮D47与砝码A11连接时，分别调整伸缩杆伸缩杆A13、B36和摆杆19在平衡力系中的位置，调整砝码A11、砝码B14和砝码C39的质量，通过Z轴负向弹簧秤4、X轴正向弹簧秤9、Z轴正向弹簧秤27、X轴负向弹簧秤32、Y轴正向弹簧秤49和Y轴负向弹簧秤57看到变化，用解析法验证平面汇交力的平衡条件与平行四边形法则。

根据前一种测量结构所述的一种便携式汇交力系示教仪，其特征是：伸缩杆C43插入伸缩套管C42，伸缩套管C42用套筒限位轴A52与套筒固定支架A50铰连接，套筒固定支架A50固定在框架1上，钢丝绳G40一端连接汇交点29，另一端绕过悬挂在伸缩杆C43上的滑轮C44与砝码D45连接时，分别调整伸缩杆伸缩杆A13、B36、伸缩杆C43和摆杆19在平衡力系中的位置，调整砝码A11、砝码B14、砝码D45和砝码C39的质量，通过Z轴负向弹簧秤4、X轴正向弹簧秤9、Z轴正向弹簧秤27、X轴负向弹簧秤32、Y轴正向弹簧秤49和Y轴负向弹簧秤57看到变化，用解析法验证空间汇交力的平衡条件与平行四边形法则。

本发明的有益效果：

一种便携式汇交力系示教仪，由摆杆、摇杆、伸缩杆、滑轮、钢缆绳、框架、砝码、弹簧秤组成示教仪，分别用钢缆绳、弹簧秤与框架在X-Y-Z轴三个方向上连接，并汇交一点后固定，通过施加相等预紧力，形成平衡的汇交力系；用钢缆绳一端连接汇交点，另一端绕滑轮后连接砝码，读取数据，获得本条件下该力对平衡力系的影响；用摇杆和摆杆调整力的角度，获得该条件下力对三轴的分力变化，验证平行四边形法则；同理，用多个钢缆绳分别在同轴、同一平面和空间情况下对汇交点施加作用力，通过变换伸缩杆的伸出长度和与框架的角度，变换摆杆和摇杆的位置，获得多种条件下，各力对平衡力系的影响和新的平衡条件，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弹簧秤，用加强固定支架限位，用钢丝绳将同轴的弹簧秤连接，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，改变绳索与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.通过安装伸缩杆和万向滑轮，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；再安装另一组伸缩杆和万向滑轮，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，再安装第三组伸缩杆和万向滑轮，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，再安装多组伸缩杆和万向滑轮，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2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的左视图；

图5是伸缩杆部件图。

图中：1.框架，2.钢丝绳A，3.固定架A，4.Z轴负向弹簧秤，5.调节螺栓组A，6.钢丝绳B，7.调节螺栓组B，8.加强固定架A，9.X轴正向弹簧秤，10.固定架B，11.砝码A，12.伸缩套管A，13.伸缩杆A，14.砝码B，15.钢丝绳C，16.钢丝绳D，17.轴A，18.滑轮A，19.摆杆，20.轴B，21.固定脚与螺栓组件，22.框架梁，23.摇杆，24.旋转盘，25.把手，26.固定架C，27.Z轴正向弹簧秤，28.调节螺栓组C，29.汇交点，30.钢丝绳E，31.调节螺栓组D，32.X轴负向弹簧秤，33.固定架D，34.加强固定架B，35.伸缩套管B，36.伸缩杆B，37.滑轮B，38.钢丝绳F，39.砝码C，40.钢丝绳G，41.加强固定架C，42.伸缩套管C，43.伸缩杆C，44.滑轮C，45.砝码D，46.把手固定螺丝，47.滑轮D，48.加强固定架D，49.Y轴正向弹簧秤，50.套筒固定支架A，51.固定架E，52.套筒限位轴A，53.套筒固定支架B，54.套筒限位轴B，55.钢丝绳H，56.固定架F，57.Y轴负向弹簧秤，58.调节螺栓组E，59.钢丝绳I，60.套筒限位轴C，61.套筒固定支架C，62.钢丝绳J，63.调节螺栓组F，64.锁紧螺丝，65.垫圈。

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。

一种便携式汇交力系示教仪，如图1-5所示，其特征是：由框架与摇杆、摆杆和多组伸缩杆、滑轮、钢丝绳、砝码、弹簧秤组成的示教仪，用固定脚与螺栓组件21固定框架梁22组合成正方体的框架1，用把手固定螺丝46将把手25固定在框架1上，分别 用固定架A3、10固定架B、固定架C26、固定架D33、固定架E51和固定架F56将Z轴负向弹簧秤4、X轴正向弹簧秤9、Z轴正向弹簧秤27、X轴负向弹簧秤32、Y轴正向弹簧秤49和Y轴负向弹簧秤57与框架1固定，调节螺栓组A5、调节螺栓组B7、调节螺栓组C28、调节螺栓组D31、调节螺栓组E58和调节螺栓组F63一端分别连接Z轴负向弹簧秤4、X轴正向弹簧秤9、Z轴正向弹簧秤27、X轴负向弹簧秤32、Y轴正向弹簧秤49和Y轴负向弹簧秤57，另一端分别连接钢丝绳A2、钢丝绳B6、钢丝绳H55、钢丝绳E30、钢丝绳J62和钢丝绳I59，且钢丝绳汇交于汇交点29，用加强固定架A8、加强固定架B34，加强固定架C41和加强固定架D48分别给X轴正向弹簧秤9、X轴负向弹簧秤32、Y轴正向弹簧秤49和Y轴负向弹簧秤57限位，调整各调节螺栓组，使相应弹簧秤示数相等，获得X-Y-Z三轴平衡的汇交力系。

根据前一种测量结构所述的一种便携式汇交力系示教仪，其特征是：旋转盘24与固定架C26连接，摇杆23与旋转盘24连接，并绕旋转盘24旋转，摆杆19一端用轴A17连接滑轮A18，另一端用轴B20与摇杆23铰连接，钢丝绳D16一端连接汇交点29，另一端绕过滑轮A18与砝码B14连接，当砝码B14通过钢丝绳D16施加到汇交点29的力时，旋转摇杆23或调整摆杆19位置，通过Z轴负向弹簧秤4、X轴正向弹簧秤9、Z轴正向弹簧秤27、X轴负向弹簧秤32、Y轴正向弹簧秤49和Y轴负向弹簧秤57看到变化，用解析法验证力的分解。

根据前一种测量结构所述的一种便携式汇交力系示教仪，其特征是：伸缩杆B36插入伸缩套管B35中，用锁紧螺丝64和垫圈65控制插入程度，伸缩套管B35用套筒限位轴C60与套筒固定支架C61铰连接，套筒固定支架C61固定在框架1上，当钢丝绳F38一端连接汇交点29，另一端绕过悬挂在伸缩杆B36上的滑轮B37与砝码C39连接时，分别调整伸缩杆B36和摆杆19在平衡力系中的位置，调整砝码B14和砝码C39的质量，通过Z轴负向弹簧秤4、X轴正向弹簧秤9、Z轴正向弹簧秤27、X轴负向弹簧秤32、Y轴正向弹簧秤49和Y轴负向弹簧秤57看到变化，用解析法验证同轴力的平衡条件。

根据前一种测量结构所述的一种便携式汇交力系示教仪，其特征是：伸缩杆A13插入伸缩套管A12中，伸缩套管A12用套筒限位轴B54与套筒固定支架B53铰连接，套筒固定支架B53固定在框架1上，当钢丝绳C15一端连接汇交点29，另一端绕过悬挂在伸缩杆A13上的滑轮D47与砝码A11连接时，分别调整伸缩杆伸缩杆A13、B36和摆杆19在平衡力系中的位置，调整砝码A11、砝码B14和砝码C39的质量，通过Z轴负向弹簧秤4、X轴正向弹簧秤9、Z轴正向弹簧秤27、X轴负向弹簧秤32、Y轴正向弹簧秤49和Y轴负向弹簧秤57看到变化，用解析法验证平面汇交力的平衡条件与平行四边形法则。

根据前一种测量结构所述的一种便携式汇交力系示教仪，其特征是：伸缩杆C43插入伸缩套管C42，伸缩套管C42用套筒限位轴A52与套筒固定支架A50铰连接，套筒固定支架A50固定在框架1上，钢丝绳G40一端连接汇交点29，另一端绕过悬挂在伸缩杆C43上的滑轮C44与砝码D45连接时，分别调整伸缩杆伸缩杆A13、B36、伸缩杆C43和摆杆19在平衡力系中的位置，调整砝码A11、砝码B14、砝码D45和砝码C39的质量，通过Z轴负向弹簧秤4、X轴正向弹簧秤9、Z轴正向弹簧秤27、X轴负向弹簧秤32、Y轴正向弹簧秤49和Y轴负向弹簧秤57看到变化，用解析法验证空间汇交力的平衡条件与平行四边形法则。