专利名称:刚体转动惯量测定装置及方法
本发明为一种刚体转动惯量的测定装置和方法，特别适用于测定质量分布不均匀和形状不规则的刚体的转动惯量。
众所周知，质量分布均匀和断面形状规则的物体的转动惯量是可用数学公式计算求得的，但对质量分布不均匀和断面形状不规则的物体的转动惯量则必须用专门的测定装置才能测定。日本特许公开昭53-148487所介绍的一种转动惯量测定装置，是将被测物体安放在具有水平转轴的旋转台上，由于被测物体与旋转台是在垂直面上围绕转轴旋转，转动时必然会受到自身重力的影响，如果被测物体质量分布不均匀或断面形状不规则，其转动速度就会时快时慢，甚至根本转动不起来。而且从该测定装置的结构看来，测定误差必然很大。此外，该装置是直接测出砝码下降某一高度所需时间，即先测定砝码下降的线速度，换算成角速度后再经多次换算，才能求出转动惯量。
本发明的目的是提供一种新型的转动惯量测定装置和方法，它具有操作简便、测量精度高的优点，而且特别适用于测量质量分布不均匀和断面不规则的物体的转动惯量。
本发明的装置，主要包括承物台、塔轮、转轴、底座、滑轮、系有砝码的细线以及与数字毫秒计相连接的光电开关。被测物体放在水平安装的承物台上，承物台下面与塔轮相连，被测物、承物台以及塔轮形成一个刚体系。塔轮由5至8个半径不同的绕线轮组成，塔轮内的转轴是垂直的，其上下端采用轴承以减少摩擦。细线一端绕在塔轮中的绕线轮上，跨过滑轮的另一端系有砝码。刚体系在水平方向转动时，承物台下的遮光细棒也随之一起转动，相继通过光电开关时，将信号送到数字毫秒计，测出被测物体旋转某一角度所需之时间，可以直接测得角位移，并算出角速度、角加速度、作用力矩、摩擦力矩，从而求出了转动惯量。
利用本发明测定刚体转动惯量的方法如下将被测物放置于承物台上，选择一绕线轮半径r，砝码质量为m，将双通道毫秒计预置在测定转动角度θ1和θ2上，当砝码自由下落时，用双通道毫秒计同时测出转动角度θ1和θ2后所用时间t1和t2。当细线脱离塔轮后，刚体系只在摩擦力矩作用下作减速转动，毫秒计可测出减速运动时转动θ1、θ2所用时间t1′、t2′，转动运动方程式如下θ1＝ω1t1+ 1/2 βt21①θ2＝ω2t2+ 1/2 βt22②上式中ω1、ω2分别为两个遮光细棒的初始角速度。由于两个遮光细棒第一次是同时遮光，因此ω1＝ω2③由①和②式可导出角加速度β的公式β=2(θ2t1-θ1t2)t22t1-t21t2④]]>
减速转动时角加速度为β′，把公式④中的t1和t2转成t1′和t2′，就可求出β′。
再由转动定律mgr-Mμ＝βJ ⑤-Mμ＝-β′J ⑥得出测定转动惯量的公式J＝ (mgr)/(β+β′) ⑦上式中J是测定装置中刚体系的转动惯量，mgr是作用力矩，Mμ是摩擦力矩。用同样的方法测出其装置空载时转动惯量J0，则被测物体的转动惯量JX即为JX＝J-J0本发明由于承物台在水平方向转动，因此即使被测物质量分布不均匀或断面形状不规则也不影响其转动惯量的测定，摆脱了从测出砝码下落某一高度所用时间换算出转动惯量这一老方法，而代之以测出旋转某一角度所用时间从而求得转动惯量的方法，并使这些物理概念更加明确、直观，测定简便;同时由于转轴上下均采用了轴承，减小了摩擦力矩，从而大大提高了测量精度。本发明不仅能供高等学校物理教学用，还能供工程设计和科研项目测量之用。
本发明的实施例通过下列附图进行说明。
图1为刚体转动惯量测定装置结构示意图图2为塔轮剖视图图3为承物台俯视图承物台〔1〕与塔轮〔3〕由同一转轴〔10〕相连，安装在底座〔5〕上。底座〔5〕下部有三条腿，每条腿底部用调节螺钉〔6〕调节承物台〔1〕的水平状态。承物台〔1〕下部两侧各有一遮光细棒〔2〕，底座〔5〕上有框架〔9〕专用于安装相对称的两个光电开关〔4〕，光电开关〔4〕与双通道数字毫秒计(图中未示)相连接。塔轮〔3〕由五个不同直径的绕线轮组成，其直径从上到下逐渐减小，最上轮直径约为7cm，最下轮直径约为3cm。细线一端可根据需要绕在某一绕线轮上，它跨过滑轮〔7〕的另一端可根据需要选用不同质量的砝码〔8〕。
转轴〔10〕上端直径约为6mm，下端直径约为10mm，上端装有向心球轴承〔11〕，下端装有推力球轴承〔12〕，摩擦力矩减小到10-4牛顿米。
承物台〔1〕为十字形，有四臂。每臂上有三个对称均匀分布的圆孔，圆孔内可放入小钢柱，以供验证平行轴定理之用。
本发明的测量误差(与理论值相比)在2%以内。
权利要求
1.一种刚体转动惯量测定装置，包括承物台、绕线轮、转轴、底座、滑轮和系有砝码的细线，其特征在于转轴上端和下端分别安装在径向轴承和止推轴承中，被测物、承物台和绕线轮围绕转轴在水平方向灵活转动。
2.按照权利要求
1所述装置，其特征在于转轴上细下粗。
3.按照权利要求
1或2所述之装置，其特征在于塔轮由5至8个直径不同的绕线轮组成，绕线轮直径从上到下逐渐减小。
4.按照权利要求
3所述之装置，其特征在于承物台成十字形，每臂上有三个以上均匀分布之圆孔，圆孔位置均在通过承物台中心之径向线上。
5.一种刚体转动惯量测定方法，其特征在于遮光细棒随承物台转动时，相继通过与数字毫秒计相连接的光电开关，直接测出角位移为某角度所需之时间。
专利摘要
本发明为一种刚体转动惯量的测定装置和方法，特别适用于质量分布不均匀和断面形状上规则物体的转动惯量的测定。当载有被测物的承物台在水平方向转动时，承物台下部的遮光细棒相继通过光电开关，此时有信号发出，可直接测出被测物在转动时的角位移、角速度、角加速度等，再经换算便可求得其转动惯量。此外，还能用来验证刚体的转动定律及平行轴定理。本装置操作简便、摩擦力矩小、测量误差小(＜2％)，可用于大学物理教学实验、工程设计以及科学研究等。
文档编号G01M1/00GK86106881SQ86106881
公开日1987年3月11日 申请日期1986年10月15日
发明者张继元 申请人:北京工业学院导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan