一种力学教具

1.本实用新型涉及教学演示用具技术领域，更具体地说，涉及一种力学教具。


背景技术：

2.在教学领域，力学类课程为各专业课的学习提供了基本理论、基本方法和基本思想，是极其重要的专业基础课程。然而，力学类课程中众多知识内容是基于高等数学、线性代数、大学物理和大学化学等数学与自然科学类课程推导衍生而来，学生理解难度大、学习兴趣低。
3.为帮助学生理解力学类课程的知识点，各类力学教具被广泛应用于教学领域。例如，申请号为2019220793127的中国专利文件公开了一种结构力学的实验教具，该教具包括可伸缩式杆部件、紧固件及基础块，所述杆部件两端开有圆孔，所述基础块上设有多个凸台，所述凸台与所述杆部件上的圆孔配合，以固定所述杆部件；所述紧固件通过与所述杆部件上的圆孔进行紧固配合，多个所述杆部件之间通过所述基础块与紧固件拼装，以组成多种几何形状的结构体系。
4.然而，利用圆孔套在凸台上的方式将杆部件与基础块连接时，连接的稳定性不强，当杆部件受力较大，或杆部件受到沿凸台轴向的力时，杆部件容易从基础块上脱出；利用螺母和螺栓的形式对两个以上的杆部件进行连接时，需要拧紧/拧下螺栓，效率不高。


技术实现要素：

5.本实用新型为克服现有技术中力学教具部件间连接不方便且不稳定的不足，提供一种力学教具，利用榫头和榫套的配合，旨在快速完成部件间的连接，同时确保连接的稳定性。
6.为达到上述目的，本实用新型提供的技术方案为：
7.本实用新型的一种力学教具，包括至少两个支座部件，不同的所述支座部件之间至少设有一个杆部件，所述杆部件包括杆体，所述杆体两端设置有榫头，所述榫头从头部至尾部的尺寸连续变大；所述支座部件上连接有支座榫套，所述支座榫套的形状与所述榫头的形状相匹配。
8.进一步地，至少有一个支座部件为固定支座，所述支座榫套固定连接在所述固定支座的底座上。
9.进一步地，至少有一个支座部件为铰支座，所述支座榫套通过铰接轴与所述铰支座的底座铰接。
10.进一步地，至少有一个支座部件为滚轴支座，所述滚轴支座的底座上开设有滑动长孔，所述滑动长孔上滑动设置有铰接轴，所述支座榫套通过铰接轴与所述滚轴支座的底座连接。
11.进一步地，所述滚轴支座的底座包括相对设置的两个铰接部，所述支座榫套的连接部位于两个铰接部之间，所述滑动长孔开设在所述铰接部上。
12.进一步地，所述杆部件设置为两个以上，不同的杆部件之间通过第一结点部件进行连接，所述第一结点部件包括若干个结点榫套，所述结点榫套与所述榫头的形状相配合。
13.进一步地，至少一个所述第一结点部件为铰结点，所述铰结点的若干个结点榫套之间通过销轴和销套的配合实现铰接；和/或，
14.至少一个所述第一结点部件为刚结点，所述刚结点包括刚性部，以及若干个固定连接在所述刚性部上的结点榫套。
15.进一步地，所述杆体由柔性材料制成。
16.进一步地，至少有一个支座部件与杆部件之间通过第二结点部件进行连接，所述第二结点部件与支座部件之间利用榫卯结构进行连接；所述第二结点部件上设置有与所述榫头形状配合的结点榫套。
17.进一步地，所述第二结点部件上设置有与所述支座榫套形状配合的结点榫头。
18.采用本实用新型提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：
19.(1)本实用新型的力学教具，由支座部件和杆部件组装而成，杆部件的榫头从头部至尾部的尺寸连续变大，支座榫套的形状与榫头的形状相匹配的方式，因而在组装时可以直接将杆部件的榫头插入支座榫套内，操作方便，效率较高；此外，受到榫头与支座榫套的相互约束，榫头与支座榫套相互插紧后，连接强度较高，支座部件和杆部件不易发生脱离。
20.(2)本实用新型中，当杆部件设置为两个以上，不同的杆部件之间通过第一结点部件进行连接时，第一结点部件的结点榫套与榫头的形状相配合，因而方便杆部件与第一结点部件相互插接，且插紧后连接强度较高。
21.(3)本实用新型中，支座部件可以是固定支座，或是铰支座，或是滚轴支座，第一结点部件可以是刚结点，或是铰结点，因而本实用新型的力学教具可以搭建为梁、刚架、桁架、拱，以及上述结构的组合结构，方便于教学过程中对不同的力学原理进行演示。
22.(4)本实用新型中，杆部件为柔性材质，能够发生较明显的、可恢复的形状变化，因此搭建完成的各类结构在加载过程中可发生较明显的位移，方便于教学过程中对不同类型结构受力变形特征进行演示。
附图说明
23.图1为本实用新型中固定支座的结构示意图；
24.图2为本实用新型中铰支座的结构示意图；
25.图3为本实用新型中滚轴支座的结构示意图；
26.图4为本实用新型中杆部件的结构示意图；
27.图5为本实用新型中刚结点的结构示意图；
28.图6为本实用新型中多榫套的刚结点的结构示意图；
29.图7为本实用新型中铰结点的结构示意图；
30.图8为本实用新型中第二结点部件的结构示意图；
31.图9为利用本实用新型的力学教具搭建的超静定刚架结构的示意图；
32.图10为利用本实用新型的力学教具搭建的静定桁架结构的示意图。
33.示意图中的标号说明：100、支座部件；101、支座榫套；102、底座；103、铰接轴；104、滑动长孔；105、铰接部；110、固定支座；120、铰支座；130、滚轴支座；200、杆部件；201、榫头；
202、杆体；300、第一结点部件；301、结点榫套；302、销轴；303、销套；304、刚性部；305、结点榫头；306、铰接孔；310、铰结点；320、刚结点；400、第二结点部件。
具体实施方式
34.为进一步了解本实用新型的内容，结合附图和实施例对本实用新型作详细描述。
35.本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本实用新型可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本实用新型所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本实用新型所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”等用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本实用新型可实施的范畴。
36.为解决相关领域中的力学教具连接结构不稳定且拆装不方便的问题，本实施方式的力学教具，利用榫卯结构，具体是利用榫头和榫套的配合，在实现各部件之间快速插接的同时，确保连接结点的稳定性。
37.具体的，本实施方式的力学教具由若干个支座部件100、杆部件200和第一结点部件300搭建而成。可以通过加载砝码的方式，对搭建好的力学模型进行力加载，用于演示不同结构在荷载作用下的变形规律。因此，本实施方式的力学教具具有5个突出优点：直观易懂、新颖有趣、快速装配、变化多样、循环利用。
38.利用本实施方式的力学教具所搭建的模型，其至少包括两个支座部件100，而不同的支座部件100之间至少设置有一个杆部件200。当支座部件100设置为两个，而杆部件200设置为一个时，可以构成梁结构。
39.支座部件100与杆部件200之间通过榫卯结构完成连接。例如，杆部件200可以包括杆体202，以及设置在杆体202两端的榫头201，榫头201从头部至尾部的尺寸连续变大，形成楔状结构；支座部件100上设置有支座榫套101，支座榫套101的形状与榫头201的形状相同，从而使得支座榫套101与榫头201之间形成形状配合，既方便于支座榫套101与榫头201的插接，又在支座榫套101与榫头201插接后确保两者之间具有较大的接触面积以提供足够大的摩擦力和约束。
40.应当指出的是，支座部件100上的支座榫套101数量没有限制，支座榫套101可以设置为一个，或是两个，或是更多个。
41.参照图4，杆部件200可以由柔性材料制成，用以保证搭建的结构在砝码加载时产生较明显的、易于观察的变形。例如，杆部件200可以由聚氨酯材料制成。杆部件200的形状没有限制，具体是杆体202的径向截面可以是方形、矩形或圆形；榫头201可以是棱锥结构、圆锥结构、棱台结构或圆台结构。
42.当杆部件200设置为两个以上，尤其是两个支座部件100之间设置有两个以上的杆部件200时，不同的杆部件200之间可以通过第一结点部件300进行连接。杆部件200与第一结点部件300之间也可以是榫卯配合。在杆部件200的两端均设置榫头201的情况下，在第一结点部件300上设置结点榫套301是更优的方案。
43.结点榫套301的形状与榫头201的形状相配合，在结点榫套301与榫头201插接后确
保杆部件200之间连接的稳定性。
44.当然，为利用本实施方式的力学教具搭建梁、桁架、刚架、拱及组合结构等多种类型杆系结构，支座部件100可以是固定支座110、铰支座120或滚轴支座130，用于实现杆部件200与支座部件100间的多种连接方式；第一结点部件300可以是铰结点310或刚结点320，用于实现杆部件200之间的多种连接方式。
45.以下，
46.图1示出了固定支座110的结构。固定支座110可以包括底座102，以及设置在底座102的支座榫套101，支座榫套101与底座102之间为固定连接。搭建模型时，杆部件200的榫头201插接在支座榫套101之后，固定支座110与杆部件200之间完成固定连接。
47.以下，
48.图2示出了铰支座120的结构。铰支座120可以包括底座102和支座榫套101，底座102和支座榫套101之间通过铰接轴103实现铰接。
49.底座102上可以设有两个铰接部105，两个铰接部105相对设置并形成缝隙，支座榫套101的连接部位于缝隙中，即支座榫套101的连接部位于两个铰接部105之间，用铰接轴103将支座榫套101的连接部与两个铰接部105连接，从而实现支座榫套101与底座102的铰接。搭建模型时，杆部件200的榫头201插接在支座榫套101之后，铰支座120与杆部件200之间完成铰接。
50.以下，
51.图3示出了滚轴支座130的结构。滚轴支座130可以包括底座102和支座榫套101。底座102上可以设有两个铰接部105，两个铰接部105相对设置并形成缝隙，支座榫套101的连接部位于缝隙中，铰接部105上开设有滑动长孔104；铰接轴103设置在滑动长孔104上，可以沿着滑动长孔104滑动。支座榫套101的连接部通过铰接轴103连接在底座102的两个铰接部105，从而实现支座榫套101与底座102的辊轴连接。搭建模型时，杆部件200的榫头201插接在支座榫套101之后，滚轴支座130与杆部件200之间完成滚轴连接。
52.以下，
53.图5示出了刚结点320的结构。刚结点320可以包括刚性部304，以及两个设置在刚性部304上的结点榫套301。刚性部304与结点榫套301之间为固定连接，两个个结点榫套301之间的角度和位置没有限制。
54.图6示出了多榫套的刚结点的结构。刚性部304上可以固定连接有三个以上的结点榫套301。三个以上的结点榫套301可以等距设置在刚性部304的周向上。结点榫套301的数量可以根据所要搭建的模型确定。
55.以下，
56.图7示出了铰结点310的结构。铰结点310包括若干个结点榫套301，结点榫套301的刚性部304上开设有铰接孔306，用销轴302穿过若干个结点榫套301的铰接孔306，并在销轴302上套上销套303，以完成铰结点310的安装。铰结点310的结点榫套301的数量可以根据所要搭建的模型确定。
57.当然，在不设置销套303的情况下，用一销轴302穿过若干个结点榫套301的铰接孔306，也可完成对于若干个结点榫套301的连接。
58.此外，也可以在支座部件100与杆部件200之间设置第二结点部件400，该第二结点
部件400用于连接支座部件100和杆部件200。
59.以下，
60.图8示出了第二结点部件400的具体结构。第二结点部件400包括若干个结点榫套301，以将将若干个结点榫套301铰接在一起的铰接轴103。结点榫套301用于与榫头201形状配合，实现第二结点部件400与杆部件200的连接。第二结点部件400与支座部件100也通过榫卯结构实现连接。
61.其中，在支座部件100上仅设置支座榫套101情况下，为了方便于将第二结点部件400与支座部件100连接，可以在第二结点部件400设置若干个结点榫头305。结点榫头305的结构可以和榫头201相同，用于与支座榫套101形状配合，实现第二结点部件400与支座部件100的连接。
62.如利用上述的支座部件100、杆部件200、第一结点部件300和第二结点部件400，可快速装配成梁、桁架、刚架、拱及组合结构等多种类型杆系结构。
63.例如，图9示出了利用本实施方式的力学教具搭建的超静定刚架结构。具体的，该超静定刚架结构由两个支座部件100、三个杆部件200和两个第一结点部件300搭建而成。
64.更具体的，两个支座部件100分别为固定支座110和滚轴支座130，固定支座110的支座榫套101上连接有第一个杆部件200，滚轴支座130的支座榫套101上连接有第二个杆部件200，第三个杆部件200连接在第一个杆部件200和第二个杆部件200之间，第一个杆部件200与第三个杆部件200之间通过刚结点320连接，第二个杆部件200和第三个杆部件200之间通过刚结点320连接。至此，形成为超静定刚架结构。
65.又例如，图10示出了为利用本实用新型的力学教具搭建的静定桁架结构。具体的，该超静定刚架结构由两个支座部件100、若干个杆部件200、若干个第一结点部件300和若干个第二结点部件400搭建而成。
66.更具体的，两个支座部件100分别为滚轴支座130和铰支座120，滚轴支座130和铰支座120之间连接有若干个杆部件200。其中，杆部件200与支座部件100之间通过第二结点部件400实现连接；杆部件200与杆部件200之间通过第一结点部件300完成连接，具体是通过铰结点310完成连接。
67.以上示意性的对本实用新型及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本实用新型的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本实用新型创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本实用新型的保护范围。