专利名称：刚体力学演示仪的制作方法
技术领域：
本实用新型适合于物理刚体力学教学用作演示和实验仪器，适合于科技部门用作展品和科普教育的仪器。
现有该方面的仪器有一组转动件，运用人力和重力进行少数定律或定理的演示和实验。
本实用新型的任务设计一种多功能的刚体力学教学用仪器，可用作刚体力学多项原理、定律、定理和现象的定性或定量计算的演示仪器或者实验仪器。
为实现这个任务，仪器由两组可绕中心定轴(20)转动的下转动件(17)及上转动件(13)组成，上转动件一臂或中心定轴(20)顶端尚可装上不定轴无力矩陀螺(1)。上转动件(13)是由转臂板和中部法拉盘固接而成，两个上转动块(14)可在臂上滑动，并可用螺钉随迂固定位置，因此可以任意选定上转动件整体的转动惯量，并可由实测资料和数学计算确定数值。下文所说上转动件(13)，除特殊说明外，都包括(13)、(14)、承重螺钉(4)、穿钉(5)，简称上转动件(13)。下转动件(17)由两金属杆(称转臂)固定于中部转台所组成。两个下转动块(16)可在两转臂上滑动，并可用螺钉随迂固定位置，通过中部穿过转台的线(15)与滑键槽管(19)(和下转动件(17)相固接)上的手动环(9)的内环相连接。内环上有滑键，嵌于滑键槽管(19)的槽内，其作用是使内环随下转动件(17)转动的同时，可在滑键管(19)上自由滑动。手动环(9)的外环可在内环上自由转动。因此手握手动环(9)的外环移动(上移是因惯性离心力)时，就可在下转动件(17)转动过程中任意改变两下转动块(16)在转臂上的对称位置，达到改变下转动件(17)整体的转动惯量的目的，转动惯量可由实测资料及数学计算确定。下文把包括(15)、(16)、(17)、缓冲弹簧(18)、(19)、(9)的整体简称为下转动件(17)，这些部件在全部演示和实验过程中始终是一个整体。下转动件(17)与中心定轴(20)或上转动件(13)之间可采用弹簧相连接弹簧(8)的外端和下转动件(17)相接，内端和弹簧下套(7)相接，弹簧上套(6)的下半部插入弹簧下套内((6)、(7)、(8)的放大装配图画于附图页的左上角圆圈内)，(6)、(7)、(8)的叠合整体套装于下转动件(17)上部的中心定轴(20)上；弹簧下套和上套，通过两者间的舌簧和中心定轴的联合作用，只能定向相对转动；弹簧上套(6)上部的紧固螺钉可使(6)固定于中心定轴上；通过弹簧上套(6)上端、上转动件(13)中部下端的扇形凸块，可使两者啮合连接或撞击后啮合连接。下转动件(17)和上转动件(13)还可通过两者间的中心定轴上套置撞击套(3)(和下转动件用穿钉固接)，运用撞击套(3)上部、上转动件中部下端的扇形凸块，发生无弹簧缓冲的啮合连接或撞击后啮合连接。陀螺轴套(2)下端也有相同的扇形凸块，作用和结构也相同。为减小上转动件(13)通过弹簧上套、下套与下转动件(17)间的摩擦力，在上转动件中部顶端设计了承重螺钉(4)。
以下结合
各项装置的作用和工作情况。
1.中心定轴上只装下转动件(17)，将一端系有重物(12)的线(10)通过滑轮(11)绕于滑键槽管(19)上。在重力作用下，可定性或定量计算演示、实验转动定律及其推论、转动惯量的计算公式。此即现有该方面演示仪的常有装置。
2.中心定轴上只装下转动件(17)，松开(17)两臂上两下转动块(16)上的螺钉，使(16)可在臂上自由滑动。转动下转动件(17)后，用手移动手动环(9)，改变下转动件(17)整体的转动惯量，定性或定量计算验证动量矩守恒定律，动能变化规律。弹簧(18)的作用是缓冲碰撞。
3.中心定轴上，在下转动件(17)上依次套装上弹簧下套(7)，弹簧(8)，弹簧上套(6)。拧紧(6)上的紧固螺钉，将(6)固定于中心定轴上。拧动下转动块(16)上的螺钉，对称地使(16)固定于臂上适当位置。用手推转下转动件(17)拧紧弹簧(8)，每次使弹簧具相同的弹性势能。迅速撒手，从最终转速可定性或定量计算验证转动能定理。由于弹簧上下套之间只能定向相对转动，既便于上紧弹簧，又可在弹簧松开后不致因转动件(17)的惯性转动而损坏弹簧，还可增加演示和实验的效果。
4.上步3的装置，松开弹簧上套(6)上的紧固螺钉，再在中心定轴上套装上上转动件(13)，适当拧紧(13)中部顶端的承重螺钉(4)，使上转动件(13)和弹簧上套(6)通过扇形凸块相啮合而稍脱离，使(13)的重量通过(4)而直接压于中心轴顶部，目的是减小摩擦力矩。适当固定上转动块(14)及转动块(16)的各自对称位置。手握下转动件(17)，推转上转动块(13)上紧弹簧后迅速同时撒手从上、下转动件最终转速，可定性或定量计算验证在弹簧的弹性内力矩作用下整体动量矩守恒。
5.上项4的装置，稍提起上转动件(13)，拴上穿钉(5)(或提而不拴)，使上转动件和弹簧上套(6)脱离。推转下转动件(17)，抽出穿钉(或直接撒手)，上转动件(13)下落和弹簧上套(6)啮合，通过弹簧上、下套与下转动件(17)发生有弹簧缓冲的啮合撞击，从最终转速可定性或定量计算验证动量矩守恒定律。啮合效果是通过上转动件(13)中部下端及弹簧上套(6)上端的扇形凸块相啮合而发生的。扇形凸块的中心张角以90°至170°为佳，最佳张角为140°至165°；扇形凸块高度以2至8毫米为佳，最佳高度为3至5毫米。撞击套(3)上端，陀螺轴套(2)下端的扇形凸块，结构也同上。
6.下转动件(17)以上的中心定轴(20)上依次装上撞击套(3)与(17)用穿钉相固接，上转动件(13)，松开或卸下承重螺钉(4)。按上项5的方法发生无弹簧缓冲的啮合撞击，可定性或定量计算验证动量矩守恒定律、分析验证动能的损失规律。
7.前三项4或5或6的装置，卸下上转动件(13)一臂上的转动块(14)，将不定轴无力矩陀螺(1)适当调节平衡位置后固定于该臂上。起动陀螺，重复相应项的方法，演示不同向动量矩合成的规律，分析验证动量矩是否守恒，分析寻找外力矩。或在起动陀螺后，用手推转上转动件(13)，分析验证陀螺的进动规律，中心轴所受的反力矩。
8.前项4或6的装置，卸下上转动件(13)，将不定轴无力矩陀螺(1)和陀螺轴套(2)联装后套装于中心定轴上部，用上项7的方法观察，分析、验证上项7的类似内容。
权利要求1.刚体力学演示仪适合于物理刚体力学教学用作演示、实验仪器，现有这方面的仪器有一组转动件，运用人力和重力进行少数定律或定理的演示或实验，本实用新型的特征是由可绕中心定轴(20)转动的下转动件(17)、上转动件(13)及可置于上转动件(13)一臂上或置于中心定轴(20)顶端的不定轴无力矩陀螺(1)等所组成。上转动件(13)是由转臂板和中部法兰盘固接而成，两个上转动块(14)可在臂上滑动，并可用螺钉随迂固定位置，下转动件(17)由两金属杆(称转臂)固定于中部转台所组成，两个下转动块(16)可在转臂上滑动，并可用螺钉随迂固定位置，下转动件(17)通过弹簧(8)，弹簧下套(7)，弹簧上套(6)运用弹簧上套(6)上端的紧固螺钉和中心定轴(20)相连接，运用弹簧上套(6)上端和下转动件(13)中部下端的扇形凸块与上转动件(13)啮合连接，运用弹簧上套(6)上端及陀螺轴套(2)下端的相同扇形凸块与陀螺(1)啮合连接，下转动件(17)通过和自身用穿钉相固接的撞击套(3)上端及上转动件(13)中部下端的相同扇形凸块和上转动件啮合连接，或通过撞击套(3)上端及陀螺轴套(2)下端的相同扇形凸块与陀螺(1)啮合连接。
2.根据权利要求1的演示仪，其特征是手动环(9)内环上的滑键嵌于滑键槽管(19)的槽内；连接线(15)通过下转动件(17)的中部连接下转动块(16)和手动环(9)的内环；手动环的外环可在内环上自由转动。
3.根据权利要求1的演示仪，其特征是弹簧上套(6)和弹簧下套(7)之间有舌簧，二者只能定向相对转动。
4.根据权利要求1的演示仪，其特征是上转动件(13)中部顶端具有承重螺钉(4)。
5.根据权利要求1的演示仪，其特征是弹簧上套(6)上端，上转动件(13)中部下端，撞击套(3)上端，陀螺轴套(2)下端具有扇形凸块，各扇形凸块的中心张角以90°至170°为佳，最佳张角为140°至165°；扇形凸块高度以2至8毫米为佳，最佳高度为3至5毫米。
6.根据权利要求1的演示仪，其特征是不定轴无力矩陀螺(1)可直接装于上转动件(13)的一臂上；不定轴无力矩陀螺(1)和陀螺轴套(2)套装后可套装于中心定轴(20)上部。
专利摘要本实用新型是物理刚体力学教学用作演示和实验仪器。仪器由通过人力、重力、弹簧、撞击等相互作用的两组转动惯量可调的转动件和一组陀螺等组成，可以演示，实验多项刚体力学原理、定律和定理。仪器采用滑键槽管及手动环，可在运转中连续改变下转动件的转动惯量；采用可定量限定弹性能的弹簧接合，本身动能可以忽略；为便于上紧弹簧和保护弹簧，设计了弹簧上下套；设计了扇形凸块，解决了观察撞击情况下转动物体组的动力学规律。
文档编号G09B23/00GK2032751SQ88202579
公开日1989年2月15日 申请日期1988年4月8日 优先权日1988年4月8日
发明者尹岳初 申请人:北京化工学院