CN103514789B - 一种机械能守恒自动演示装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机械能守恒自动演示装置，其特征是：设置立式框架具有底框和顶框；伸缩机构中伸缩驱动件固定设置在顶框上，由伸缩驱动件驱动的伸缩杆的杆端是在竖向可伸缩；在伸缩杆的底端固联一水平杆；能量转换机构是在转轴上固定设置轮盘，一对等长的牵引绳索的上端固联在水平杆的两端，下端分别固联在转轴的两轴端；位置传感器固定设置在底框上，用于检测轮盘的高度，并根据轮盘的高度向伸缩驱动件提供启停控制信号。本发明通过伸缩机构的启停，给轮盘不断补充作用力以维持能量，使得轮盘沿着绳索保持往复运动，可动态直观地展示机械能守恒定律。

Description

一种机械能守恒自动演示装置

技术领域

本发明涉及一种科普展示和科技教育器材，更具体地说是一种机械能守恒自动演示装置。背景技术

机械能守恒定律是指在只有重力或弹力对物体做功的条件下(或者不受其他外力的作用下），物体的动能和势能（包括重力势能和弹性势能）发生相互转化，但机械能的总量保持不变。

根据机械能守恒定律，当重力以外的力不做功，物体（或系统）的机械能守恒。显然，当重力以外的力做功不为零时，物体（或系统）的机械能要发生改变。重力以外的力做正功，物体（或系统）的机械能增加，重力以外的力做负功，物体（或系统）的机械能减少，且重力以外的力做多少功，物体（或系统）的机械能就改变多少。

例如：过山车在下降的过程中，势能降低，动能增大，如果不考虑阻力做功的话，总机械能是保持不变的。

尽管目前在力学领域已经有了科学的定论和相应的公式，但是，枯燥的公式和定型的模型在科普场馆展示中难以被观众理解，而且这些展示模型也不能够连续运行。

悠悠球大约出现在公元500年前的希腊，在18世纪初叶，在英法等国广为流行，其最基本的玩法是抬起手臂，用腕力把悠悠球向下掷出，悠悠球便在绳头处不断转动。手掌向上轻拉，悠悠球便自动回转。这是所有招式的基本动作，揭示了悠悠球的基本工作原理（动能与势能的相互转换）。当悠悠球处于最高点时其势能最大，动能为零，随着其下降到最低点，其转速最快，动能最大而势能最小。如果不考虑外界作用力的影响（外界作用力主要有：操作者抛物的力、线绳的摩擦阻力、空气阻力），悠悠球将会沿着线绳永远的往复运动下去。而实际上由于阻力影响悠悠球会逐渐停止下来，这需要操作者不断的给其补充作用力以增加能量。作用力表面上看是有手部产生的，其实主要来源于操作者手臂肌肉的伸缩运动。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种机械能守恒自动演示装置，利用玩具“悠悠球”的原理，实现机械能守恒的自动演示。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明机械能守恒自动演示装置的结构特点是设置：

一作为支撑结构的立式框架，具有底框和位于底框上方的顶框；

一伸缩机构，其伸缩驱动件固定设置在顶框上，由所述伸缩驱动件驱动的伸缩杆的底端是在竖向可伸缩，在所述伸缩杆的底端固联一水平杆；

一能量转换机构，是在一转轴上固定设置轮盘，一对等长的牵引绳索的上端固联在所述水平杆的两端，牵引绳索的下端分别固联在所述转轴的两轴端，使所述转轴由一对牵引绳索悬吊在所述水平杆上呈水平；

一位置传感器，固定设置在底框上，用于检测所述轮盘的高度，并根据所述轮盘的高度向所述伸缩驱动件提供启停控制信号。

本发明机械能守恒自动演示装置的结构特点也在于：所述伸缩驱动件为气动、液动或电磁机构。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明通过伸缩机构的启停，给轮盘不断补充作用力以维持能量，使得轮盘沿着绳索保持往复运动，可动态直观地展示机械能守恒定律。

2、本发明为“悠悠球”原理，作为科普展示，其趣味性强，展示效果好。

附图说明

图1为本发明主视结构示意图；

图2为本发明侧视结构示意图；

图中标号：1a伸缩驱动件，1b伸缩杆，2立式框架，2a底框，2b顶框，3牵引绳索，3a水平杆，4a转轴，4b轮盘，5位置传感器。

具体实施方式

参见图1，本实施例中机械能守恒自动演示装置的结构形式是设置：

作为支撑结构的立式框架2，具有底框2a和位于底框上方的顶框2b；

伸缩机构，其伸缩驱动件1a固定设置在顶框2b上，由伸缩驱动件1a驱动的伸缩杆1b的底端是在竖向可伸缩；在伸缩杆1b的底端固联一水平杆3a，伸缩驱动件1a可以为气动、液动或电磁机构。

能量转换机构，是在一转轴4a上固定设置轮盘4b，一对等长的牵引绳索3的上端固联在水平杆1a的杆端，一对等长牵引绳索3的下端分别固联在转轴4a的两轴端，使转轴4a由一对牵引绳索3悬吊在水平杆3a上呈水平。

位置传感器5，固定设置在底框2a上，用于检测轮盘4b的高度，并根据轮盘4b的高度向伸缩驱动件1a提供启停控制信号。

当轮盘处于最高点时其势能最大，动能为零，随着其下降到最低点，其转速最快，动能最大而势能最小。如果不考虑外界作用力的影响（外界作用力主要有：绳索的摩擦阻力、空气阻力），轮盘将会沿着绳索永远的往复运动下去。而实际上由于阻力的影响，轮盘会逐渐停止下来，因此这需要演示装置不断地给其补充作用力以增加能量，就像模仿操作者手臂肌肉的伸缩运动一样，使得轮盘沿着绳索永远的往复运动下去，展示机械能守恒定律。

本实施例是通过位置传感器控制伸缩机构的启动和运行，给轮盘补充作用力以增加能量，使装置能够连续并不间断的演示。

使用时，首先用人工的方式双手旋转轮盘，使得轮盘沿牵引绳索上升至立式框架的上部，松开双手并启动演示装置。通过位置传感器控制伸缩机构的启动和运行，给轮盘不断补充作用力以增加能量，使装置能够连续并不间断的演示，也就是轮盘将会沿着绳索自动地保持往复运动，演示机械能守恒定律。

Claims (1)

1.一种机械能守恒自动演示装置，其特征是设置：

一作为支撑结构的立式框架(2)，具有底框(2a)和位于底框上方的顶框(2b)；

一伸缩机构，其伸缩驱动件(1a)固定设置在顶框(2b)上，由所述伸缩驱动件(1a)驱动的伸缩杆(1b)的底端是在竖向可伸缩，在所述伸缩杆(1b)的底端固联一水平杆(3a)；

一能量转换机构，是在一转轴(4a)上固定设置轮盘(4b)，一对等长的牵引绳索(3)的上端固联在所述水平杆(3a)的两端，牵引绳索(3)的下端分别固联在所述转轴(4a)的两轴端，使所述转轴(4a)由一对牵引绳索(3)悬吊在所述水平杆(3a)上呈水平；

一位置传感器(5)，固定设置在底框(2a)上，用于检测所述轮盘(4b)的高度，并根据所述轮盘(4b)的高度向所述伸缩驱动件(1a)提供启停控制信号；

所述伸缩驱动件(1a)为气动、液动或电磁机构。