双轮盘进动演示装置

本发明涉及科学展品，尤其是涉及一种双轮盘进动演示装置。

背景技术：

1、进动现象是一个重要的物理现象，进动是指一个自转的刚体受外力作用导致其自转轴绕某一中心的旋转现象。为了使学习者能够理解进动现象的稳定特性和进动现象产生的原理，许多应用于科普和教学的进动现象演示装置被发明出来，目前的进动演示装置大多采用传统的两自由度陀螺仪结构，通常只含有一个自转陀螺。尽管这些装置能够明显展示进动现象，但却难以清晰地解释进动现象产生的根本原因。此外，这些演示装置结构复杂、功能单一，无法实现对陀螺转速的精确控制，同时也缺乏与观众的有效互动。

技术实现思路

1、本发明旨在至少解决现有技术中存在的问题。为此，本发明的一个目的在于提出一种双轮盘进动演示装置，可以生动形象地展示进动现象和角速度对进动现象的影响，增强了参观者的参与感，并通过单人或多人的操作，实现更多层次的人机交互性，重复使用率高。

2、根据本发明实施例的双轮盘进动演示装置，包括

3、框架台，

4、手轮输入部分，所述手轮输入部分设置在框架台上，且包括两个手轮输入组件；

5、展示部分，所述展示部分包括主轴公转组件、横杆组件和两个轮盘组件；所述主轴公转组件竖向地穿过所述框架台的台面并安装在所述框架台上，所述主轴公转组件能实现自身公转；所述横杆组件的中部与所述主轴公转组件的上端相连，所述横杆组件可绕所述主轴公转组件的上端在竖直平面内上下摆动，两个所述轮盘组件同轴固定在所述横杆组件的两端，两个所述手轮输入组件通过手动转动分别一一对应地控制两个所述轮盘组件的转速，两个所述轮盘组件分别为大轮盘组件和小轮盘组件。

6、本发明实施例的双轮盘进动演示装置通过两个手轮输入组件分别对应地控制两个大小不同的轮盘组件，通过主轴公转组件以较慢的、恒定的速度进公转，由轮盘组件的转动和主轴公转组件的转动的耦合，即两个方向的运动耦合，就产生了进动现象。由此，根据本发明实施例的双轮盘进动演示装置，可以有以下三种的演示模式，即单人模式、双人协作模式和双人对抗模式。这三种演示模式的演示目的都是为了使大轮盘组件和小轮盘组件达到平衡状态，使参观者可以更好地理解进动现象的相关原理，以及角速度对进动现象的影响。下面对三种演示模式作下说明。

7、当要进行单人模式时，主轴公转组件以较慢的、恒定的速度进行转动，此时，参观者可以转动小轮盘组件对应的手轮输入组件使小轮盘组件转动，例如按顺时针转动，小轮盘组件转动配合主轴的公转会产生进动现象，也就是随着小轮盘组件的角速度增大，等效于小轮盘组件受到向下增大的力，随着角速度的增大，小轮盘组件会逐渐降低高度，参观者可以直观感受到角速度对进动现象的影响；直到小轮盘组件与大轮盘组件处于同一高度，此时处于平衡状态，然后停止转动手轮输入组件，小轮盘组件逐渐停止转动，直到恢复静止时大轮盘组件处于低位置的状态，等待下次进行演示。也就是说，在单人模式演示时，只有一个手轮输入组件可以使用，转动手轮输入组件使得小轮盘组件旋转，当手轮输入组件达到一定速度时，小轮盘组件撬动大轮盘组件，横杆组件逐渐从不平衡到水平平衡再到不平衡。

8、当进入双人协作模式时，主轴公转组件以较慢的、恒定的速度进行转动，此时，参观者可以同时转动两个手轮输入组件，使大轮盘组件和小轮盘组件同时旋转且使大轮盘组件和小轮盘组件的旋转方向彼此相反，例如使大轮盘组件逆时针转动，使小轮盘组件顺时针转动，这样，大轮盘组件逆时针转动等效于受到向上的力，小轮盘组件顺时针转动等效于受到向下的力，当大轮盘组件和小轮盘组件处于同一高度时，大轮盘组件和小轮盘组件达到平衡，停止转动手轮输入组件，小轮盘组件和大轮盘组件逐渐停止转动，直到恢复静止时大轮盘组件处于低位置的状态，等待下次进行演示。也就是说，通过转动两个手轮输入组件，并控制两个手轮输入组件的不同旋转速度，来控制旋转方向互为相反的两个轮盘组件的转动，使得横杆组件逐渐从不平衡到水平平衡再到不平衡。需要说明的是，在双人协作模式演示时，两个手轮输入组件只需要达到较低的速度就可以使得横杆组件达到水平。

9、选择双人对抗模式时，主轴公转组件以较慢的、恒定的速度进行转动，此时，参观者可以同时两个手轮输入组件，使大轮盘组件和小轮盘组件同时同向转动，例如，同时顺时针转动，大轮盘组件和小轮盘组件等效于受到向下的力，等待大轮盘组件和小轮盘组件处于同一高度时，大轮盘组件和小轮盘组件达成平衡状态，停止转动手轮输入组件，小轮盘组件和大轮盘组件逐渐停止转动，直到恢复静止时大轮盘组件处于低位置的状态，等待下次进行演示。也就是说，通过转动两个手轮输入组件，并控制两个手轮输入组件的不同旋转速度，来控制旋转方向相同的两个轮盘组件的转动，使得横杆组件逐渐从不平衡到水平平衡再到不平衡。需要说明的是，在双人对抗模式演示时，控制小轮盘组件转动的手轮输入组件的转速远高于控制大轮盘组件转动的手轮输入组件的转速。

10、根据本发明实施例的双轮盘进动演示装置，具有如下的优势，一是通过两个转盘组件的设计，能够利用同向转动角动量叠加和反向转动角动量抵消这两种不同的运动形式，全面展示同向转动角动量叠加和反向转动角动量抵消对进动现象的影响；二是参观者可通过两个手轮输入组件分别精准控制两个轮盘组件的转动，可实现不同运动演示模式之间的无缝切换，确保两个轮盘组件转速之间的精准协调。这一设计不仅提高了装置的操作性，还增强了观众的参与感和互动性。通过手轮输入组件旋转的难易程度，使参观者能够直观感受高速自转的轮盘组件对抗外部干扰的效果；三是通过两个不同大小的轮盘组件的应用，确保进动现象产生后内环迅速回到初始位置，以便更便捷地进行重复使用。这一设计考虑了装置的持续性能和用户友好性。综上，本发明实施例的双轮盘进动演示装置可以生动形象地展示进动现象和角速度对进动现象的影响，增强了参观者的参与感，并通过单人或多人的操作，实现更多层次的人机交互性，重复使用率高。

11、在一些实施例中，所述手轮输入组件包括手轮、手轮轴、带有编码器的第一电机以及单片机，所述手轮位于框架台的台面上方，所述手轮轴穿过所述框架台的台面，所述手轮轴的上端与所述手轮固定，所述手轮轴的下端与所述第一电机同轴固定，所述第一电机固定在所述框架台内，所述编码器通过单片机与对应的所述轮盘组件相连。

12、在一些实施例中，所述手轮输入组件还包括单向离合器，所述单向离合器位于所述框架台内，所述单向离合器的内圈与所述手轮轴的外周面相连。

13、在一些实施例中，所述主轴公转组件包括第二电机、主轴和水平撬动轴；所述第二电机设置在所述框架台内且与所述单片机相连，所述主轴竖直穿过所述框架台的台面，所述主轴的下端与所述第二电机相连，以使所述第二电机驱动所述主轴旋转，所述主轴的上端支撑所述水平撬动轴，所述水平撬动轴穿过所述横杆组件的中部，以使所述横杆组件能绕所述水平撬动轴在竖直面内上下摆动。

14、在一些实施例中，所述主轴的上端固定有开口朝上的凹形限位块，所述水平撬动轴的两端固定在所述凹形限位块相对的两侧壁上。

15、在一些实施例中，所述横杆组件包括横杆，所述横杆的中部在竖直面内可转动地套设在所述水平撬动轴上，所述横杆的两端分别一一对应地与两个所述轮盘组件相连。

16、在一些实施例中，所述轮盘组件包括轮盘和第三电机，所述第三电机固定在对应的所述横杆组件端部和所述轮盘之间。

17、在一些实施例中，所述第三电机通过联轴器与对应的所述轮盘的轮轴同轴固定。

18、在一些实施例中，所述轮盘包括外轮盘和内轮盘，所述内轮盘的盘体同轴固定在所述外轮盘中，所述内轮盘的轮轴为所述轮盘的轮轴。

19、在一些实施例中，所述轮盘组件还包括电机套壳、轴承套壳和第四轴承；所述电机套壳内固定所述电机，所述电机套壳的一端与对应的所述横杆的端部固定，所述电机套壳的另一端与所述轴承套壳的一端固定，所述第四轴承设置在所述轴承套壳的另一端内周壁与所述轮盘的轮轴之间。

20、本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。