一种可调节环振状态的演示装置

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一种可调节环振状态的演示装置\n技术领域\n[0001] 本实用新型属于运动状态演示装置领域，涉及一种可调节环振状态的演示装置。\n背景技术\n[0002] 环振运动状态是指一个刚性环在外力的作用下，环自身围绕垂直于环面且过环心\n的中心轴转动的同时，中心轴还绕着垂直于地面的轴转动，且该轴在地面的投影点处于刚\n性环在地面投影的曲线之内。环振运动作为一种常见的物理现象，在讲解铁环倒地的运动\n状态时，常常被作为教学与探讨的重点。\n[0003] 由于环振这种状态在铁环自然倒地中持续时间较短，不便观察与演示。目前主要\n的环振状态的演示方法是靠人来丢铁环进行演示，不具备长时间维持环振运动状态的能\n力，不利于对这种运动状态的观察。同时，这种方式存在稳定性较差，演示的成功率较低，可\n观测时间短等问题。\n实用新型内容\n[0004] 有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种可调节环振状态的演示装置，可自行\n驱动，环振维持时间长，可以调节环振运动时环面与地面的夹角大小，便于观察。\n[0005] 为达到上述目的，本实用新型提供如下技术方案：\n[0006] 一种可调节环振状态的演示装置，包括刚性环、固定设置在刚性环内部且穿过该\n刚性环中心的固定架，所述固定架与所述刚性环中心相匹配的位置上设有转动轴，所述转\n动轴上连接有用于驱动其转动的驱动器，所述转动轴上设有用于改变重心的摆杆，通过驱\n动器带动摆杆转动，改变装置重心。\n[0007] 可选的，所述摆杆上还设有可拆卸的配重块。\n[0008] 可选的，所述配重块在摆杆上的固定位置可调。\n[0009] 可选的，所述配重块设有多个。\n[0010] 可选的，所述固定架呈一字型、十字型或人字型。\n[0011] 可选的，所述摆杆呈一字型或圆环型。\n[0012] 可选的，所述转动轴通过法兰盘固定在所述固定架上。\n[0013] 可选的，定义刚性环的一个环面的平面为第一平面，定义穿过刚性环中心且平行\n于第一平面的平面为第二平面；所述固定架布置在第二平面内。\n[0014] 可选的，所述摆杆的转动面平行于第一平面。\n[0015] 可选的，所述摆杆呈圆环形，所述摆杆内设有用于安装配重块的支撑杆，所述支撑\n杆呈人字型布置，其交叉部分位于所述摆杆的中心。\n[0016] 本实用新型的有益效果在于：\n[0017] 本实用新型提出了一种体积小重量轻，环振维持时间长，可以有效调节环振运动\n时环面与地面的夹角大小且便于观察的演示装置设计方案。主要解决的技术问题是环振运\n动状态的稳定，环振时环面与地面夹角的调节等。\n[0018] 本实用新型的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐\n述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或\n者可以从本实用新型的实践中得到教导。本实用新型的目标和其他优点可以通过下面的说\n明书来实现和获得。\n附图说明\n[0019] 为了使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用\n新型作优选的详细描述，其中：\n[0020] 图1为环振运动示意图；\n[0021] 图2为本实用新型实施例1的结构示意图；\n[0022] 图3为夹角α示意图；\n[0023] 图4为装置受力示意图；\n[0024] 图5为调节原理示意图；\n[0025] 图6为实施例1的运动状态示意图；\n[0026] 图7为实施例2的运动状态示意图。\n具体实施方式\n[0027] 以下通过特定的具体实例说明本实用新型的实施方式，本领域技术人员可由本说\n明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点与功效。本实用新型还可以通过另外\n不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应\n用，在没有背离本实用新型的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所\n提供的图示仅以示意方式说明本实用新型的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及\n实施例中的特征可以相互组合。\n[0028] 其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本\n实用新型的限制；为了更好地说明本实用新型的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩\n小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能\n省略是可以理解的。\n[0029] 本实用新型实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本实用\n新型的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或\n位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，\n而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因\n此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本实用新型的限制，对于\n本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。\n[0030] 请参阅图1-图7，附图中的元件标号分别表示：固定架1、驱动器2、刚性环3、法兰盘\n4、配重块5、摆杆6。\n[0031] 本实用新型公开了一种可调节环振状态的演示装置，装置主要由刚性环3、固定架\n1、法兰盘4、驱动器2、摆杆6以及配重块5构成。固定架1可以是一字形、人字形、或十字形，固\n定架1安装在刚性环3内侧且经过环心，用于固定法兰盘4；法兰盘4一端安装在固定架1上位\n于环心的位置，另一端连接驱动器2的轴；驱动器2安装在摆杆6的一端，驱动器2由电机或其\n它动力装置提供驱动力，驱动摆杆6转动；摆杆6可以是一字形、人字形、或环形，在驱动器2\n的作用下，摆杆6可以绕垂直于环面且过环心的中心轴转动，用于改变装置的重心；配重块5\n固定在摆杆6上，通过摆杆6的转动改变环形装置的重心。\n[0032] 本装置环面垂直于地面静置，驱动器2不工作时，由于重力的影响，环心与配重块5\n质心的连线垂直于地面，如图2所示，此时摆杆6和地面成90度。\n[0033] 装置从启动到稳定的过程分析：\n[0034] 启动时，用手倾斜装置并给一个让装置环面绕环面离地的最高点和最低点间连线\n扭转的初速度，此时摆杆6会运动到一个合适的位置，如图3所示，并始终与环心和环触地点\n的连线保持一个合适的夹角α，由于摆杆6上固定有配重块5，整个装置的重心发生明显改\n变。此时装置的受力状况如图4所示，装置的重心在配重块5附近，受到重力为G，地面的支持\n力为Fb，摩擦力为Fa，由于重力G与支持力Fb等大反向不共线，此时装置会产生转动，使得装\n置发生转动并向前运动，转动方向如图4中V所示，此时装置是倾斜的，摩擦力提供向心力，\n使得装置进入环振状态。因为摩擦损耗，装置的势能减少，环面与地面的夹角会减小，环上\n质点连续两次触地的时间会变短，此时通过驱动器2驱动摆杆6，使得夹角α适当增大来补偿\n能量损耗。在一定的角度范围内，即使受到外部轻微干扰的情况下，也可以通过驱动器2动\n态调整夹角α，增加势能来补偿能量损耗，可以使环面与地面的夹角保持稳定不变。\n[0035] 环振状态调节的原理分析：\n[0036] 如图5所示，Z轴是装置环振时垂直于地面的轴，S轴为垂直于环面且过环心的中心\n轴，图中实线环为本装置，虚线环为装置自转轴划过平面时经过的轨迹，θ角为中心轴S与垂\n直于地面的轴Z的夹角。设t时刻装置中心轴S与Z轴的夹角为θ，角速度为ω，转动惯量为I，\n角动量在Z轴上的投影为Lcosθ；t+dt时刻，由于重力矩M的作用，装置将会下倾，使S轴与Z轴\n的夹角变为θ+dθ，角动量在Z轴的投影变为Lcos(θ+dθ)，则角动量在Z轴方向上的增量为：\n[0037] dLz＝Lcos(θ+dθ)-L cosθ＝-L sinθdθ＝-Iωsinθdθ\n[0038] 但是，M在Z轴方向上无分量，因此，装置的角动量在Z轴方向必守恒，这意味着，装\n置必定会获得一个沿Z轴正方向的角动量Iωsinθdθ，使得装置的中心轴S反时针方向沿Z轴\n转动，产生环振。\n[0039] 由于装置的绕S轴转动角速度ω之值远大于其绕Z轴的角速度，因此，装置的总角\n动量与摆杆6转动角动量加上绕S轴转动的自转角动量之和近似相等，因而均可用L来表示。\n如图6所示，当装置的摆杆6转过微小角度dφ时，装置角动量的增量大小(假定θ不变)dL＝L \nsinθdφ＝Iωsinθdφ，注意到角动量定理的微分形式dL＝M2dt(M2为合外力的力矩)，则可\n得到中心轴S绕Z轴转动的角速度，即装置环振的角速度 环面与\n地面的夹角 ，该式说明，0-90度内，环面与地面的夹角θ与装置所受合外力的\n力矩M2成正比。本装置就是利用了这个原理，一定范围内，夹角α与合外力的力矩大小成正\n比，通过驱动器2调节夹角α来改变装置所受的合外力的力矩，从而改变装置环振状态。在一\n定范围内(如30-80度范围内)，通过适当减小夹角α，可以使环面和地面的夹角减小；在一定\n范围内(如30-80度范围内)，通过适当增大夹角α可以使环面和地面的夹角增大。\n[0040] 实施例1\n[0041] 参照图6，本例的装置由一个刚性环3，一个一字型固定架1，一个法兰盘4，一个驱\n动器2，一个一字型摆杆6，和两个配重块5构成。驱动器2由电机驱动，刚性环3和固定架1以\n及摆杆6均为铝合金材质。\n[0042] 该装置启动时，用手倾斜装置并给一个让装置环面绕环面的最高点和最低点连线\n扭转的初速度，此时摆杆6会运动到一个合适的位置，如图6所示，当夹角α低于设定的阈值\n下限时，驱动器2启动，一字型摆杆6转动，使得装置进入环振状态并保持环面与地面的夹角\n不变。\n[0043] 当装置处于环振状态后，在一定范围内，通过驱动器2适当减小夹角α可以使环面\n和地面的夹角减小；在一定范围内，通过驱动器2适当增大夹角α可以使环面和地面的夹角\n增大。\n[0044] 实施例2\n[0045] 参照图7，本例的装置由一个刚性环3，一个一字型固定架1，一个法兰盘4，一个驱\n动器2，一个环形摆杆6以及两个配重块5构成。驱动器2由电机驱动，刚性环3和固定架1以及\n摆杆6均为铝合金材质。\n[0046] 该装置启动时，用手倾斜装置并给一个让装置环面绕环面的最高点和最低点连线\n扭转的初速度，此时环形摆杆6会运动到一个合适的位置，如图4所示，当夹角α低于设定的\n阈值下限时，驱动器2启动，环形摆杆6转动，使得装置进入环振状态并保持环面与地面的夹\n角不变。\n[0047] 当装置处于环振状态后，在一定范围内，通过驱动器2适当减小夹角α可以使环面\n和地面的夹角减小；在一定范围内，通过驱动器2适当增大夹角α可以使环面和地面的夹角\n增大。\n[0048] 最后说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参\n照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本\n实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应\n涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。