CN103822750B

CN103822750B - 汽车在水流中受到的作用力的测量装置

Info

Publication number: CN103822750B
Application number: CN201410023898.4A
Authority: CN
Inventors: 姜利杰; 邵卫云; 孙志林; 易文涛; 郑和震
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2014-01-19
Filing date: 2014-01-19
Publication date: 2015-09-02
Anticipated expiration: 2034-01-19
Also published as: CN103822750A

Abstract

本发明公开了一种汽车在水流中受到的作用力的测量装置，主要包括拉力传感器、第一定滑轮、第一绳子、第二绳子、第二定滑轮、加重物、伸缩装置和位置调节装置。拉力传感器的一端与所述位置调节装置固定连接，伸缩装置的一端与拉力传感器的另一端固定连接，第一绳子绕经第一定滑轮，第一绳子的一端与伸缩装置的另一端固定连接，第一绳子的另一端与汽车的车头（或车尾）固定连接，第二绳子绕经第二定滑轮，第二绳子的一端与汽车的车尾（或车头）固定连接，第二绳子的另一端加载有加重物。本发明可用于测量静止汽车在水流中受到的绕流阻力及汽车与地面之间的最大静摩擦力。

Description

汽车在水流中受到的作用力的测量装置

技术领域

本发明涉及一种汽车在水流中受到的作用力的测量装置。

背景技术

随着全球气候变化和城市化进程加快，由突发性极端暴雨引起的城市洪涝灾害频繁发生。而随着经济的发展和人民生活水平的不断提高，汽车保有量不断增长。在路面上或正在行驶的汽车，在突发性暴雨水流中很容易失去稳定。

汽车在车头或车尾正对水流时，将受到重力、地面支持力、水流浮力、汽车与地面之间的摩擦力及水流绕流阻力等作用力的共同作用。当汽车受到的水流浮力与绕流阻力过大时，汽车将失稳从而被水流冲走。目前，国内外学者大多采用起动流速的大小来判断暴雨水流中汽车的稳定性，缺少汽车本身在水流中受到的水流作用力的研究，没有相应的测量装置。由于汽车外形复杂，很难通过流体力学的相关理论直接求解汽车在水流中受到的作用力。同时，在测量汽车在水流中受到的水流作用力和汽车与地面之间的最大静摩擦力时，测量装置不能干扰水流流动。因此，研究如何有效地测量汽车在水流中受到的作用力，分析在不同水流条件下汽车在水流中的稳定性，对于保护人民生命和财产安全都具有重要的作用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种汽车在水流中受到的作用力的测量装置，该装置可用于测量汽车在水流中受到的绕流阻力和汽车与地面之间的最大静摩擦力。

本发明解决其技术问题所采取的技术手段是：该装置包括拉力传感器、第一定滑轮、第一绳子、第二绳子、第二定滑轮、加重物、伸缩装置和位置调节装置。所述拉力传感器的一端与所述位置调节装置固定连接，所述伸缩装置的一端与所述拉力传感器的另一端固定连接，所述第一绳子绕经所述第一定滑轮，所述第一绳子的一端与所述伸缩装置的另一端固定连接，当所述第一绳子的另一端与汽车的车头固定连接时，所述第二绳子绕经所述第二定滑轮，所述第二绳子的一端与汽车的车尾固定连接，所述第二绳子的另一端加载有所述加重物，所述伸缩装置与第一绳子的连接点、第一绳子与汽车的车头的连接点、第二绳子与汽车的车尾的连接点以及第二绳子与加重物的连接点位于同一水流流向平面内；所述第一绳子位于第一定滑轮与汽车的车头之间的部分Ⅰ与所述第二绳子位于第二定滑轮与汽车的车尾之间的部分Ⅱ共线且与地面平行。当所述第一绳子的另一端与汽车的车尾固定连接时，所述第二绳子绕经所述第二定滑轮，所述第二绳子的一端与汽车的车头固定连接，所述第二绳子的另一端加载有所述加重物，所述伸缩装置与第一绳子的连接点、第一绳子与汽车的车尾的连接点、第二绳子与汽车的车头的连接点以及第二绳子与加重物的连接点位于同一水流流向平面内；所述第一绳子位于第一定滑轮与汽车的车尾之间的部分Ⅲ与所述第二绳子位于第二定滑轮与汽车的车头之间的部分Ⅳ共线且与地面平行。

进一步地，本发明所述第一定滑轮处于汽车的上游，所述第二定滑轮处于汽车的下游。

进一步地，本发明还包括显示器，所述显示器的输入端与所述拉力传感器的输出端电连接。

对于汽车在水流中受到的作用力的测量，本发明具有以下有益效果：

（1）本发明装置在测量时利用在汽车下游加载加重物使汽车达到最大静摩擦力，利用位置调节装置改变最大静摩擦力的方向，可得到汽车在水流中受到的绕流阻力及汽车与地面之间的最大静摩擦力；

（2）本发明装置利用拉力传感器、定滑轮和绳子测量汽车在水中受到的作用力，可减少测量装置对水流的干扰，保证测量结果的精度；

（3）本发明装置加工制作简单，造价低廉，安装方便。

附图说明

图1为本发明装置在汽车的车头正对水流来流时的使用状态示意图；

图2为图1的俯视图；

图3为本发明装置在汽车的车尾正对水流来流时的使用状态示意图；

图4为图3的俯视图；

图5是汽车与地面之间在水流方向的反方向上达到最大静摩擦力时受力分析图；

图6是汽车与地面之间在水流方向上达到最大静摩擦力时受力分析图；

图中，1.拉力传感器、2.第一定滑轮、3.第一绳子、4.汽车、5.第二绳子、6.第二定滑轮、7.伸缩装置、8.导线、9.显示器、10.加重物、11.第一绳子与伸缩装置的连接点、12.第一绳子与汽车车头的连接点、13.第二绳子与汽车车尾的连接点、14.第二绳子与加重物的连接点、15.第一绳子与汽车车尾的连接点、16.第二绳子与汽车车头的连接点、17.位置调节装置。

具体实施方式

如图1至图4所示，本发明汽车在水流中受到的作用力的测量装置主要包括拉力传感器1、第一定滑轮2、第一绳子3、第二绳子5、第二定滑轮6、加重物10、伸缩装置7和位置调节装置17。拉力传感器1的一端与位置调节装置17固定连接，伸缩装置7的一端与拉力传感器1的另一端固定连接，第一绳子3绕经第一定滑轮2，第一绳子3的一端与伸缩装置7的另一端固定连接，当第一绳子3的另一端与汽车4的车头固定连接时（如图1至图2所示），第二绳子5绕经第二定滑轮6，第二绳子5的一端与汽车4的车尾固定连接，第二绳子5的另一端加载有加重物10，伸缩装置7与第一绳子3的连接点11、第一绳子3与汽车4的车头的连接点12、第二绳子5与汽车4的车尾的连接点13以及第二绳子5与加重物10的连接点14位于同一水流流向平面内；第一绳子3位于第一定滑轮2与汽车4的车头之间的部分Ⅰ与第二绳子5位于第二定滑轮6与汽车4的车尾之间的部分Ⅱ共线且与地面平行。当第一绳子3的另一端与汽车4的车尾固定连接时（如图3至图4所示），第二绳子5绕经第二定滑轮6，第二绳子5的一端与汽车4的车头固定连接，第二绳子5的另一端加载有加重物10，伸缩装置7与第一绳子3的连接点11、第一绳子3与汽车4的车尾的连接点15、第二绳子5与汽车4的车头的连接点16以及第二绳子5与加重物10的连接点14位于同一水流流向平面内；第一绳子3位于第一定滑轮2与汽车4的车尾之间的部分Ⅲ与第二绳子5位于第二定滑轮6与汽车4的车头之间的部分Ⅳ共线且与地面平行。

伸缩装置7在其两端加载作用力时可以伸长，伸缩装置7的功能是实现在向汽车4的车尾（如图1至图2所示）或者车头（如图3至图4所示）加载作用力的过程中，汽车4与地面之间的摩擦力未达到最大静摩擦力之前，第一绳子3受到的拉力不会增加，伸缩装置7不会伸长，汽车4保持静止；汽车4与地面之间的摩擦力达到最大静摩擦力后如果继续加载作用力，第一绳子3受到的拉力增大，伸缩装置7将伸长，汽车4将开始运动。伸缩装置7可选用弹簧或橡皮绳等。加重物10的功能是向汽车4的车尾（如图1至图2所示）或者车头（如图3至图4所示）加载作用力，使汽车4与地面之间的摩擦力达到最大静摩擦力。加重物10可选用砝码等重物。拉力传感器1可选用拉压传感器（如S型拉压传感器）。在本发明中，水流流向平面指的是与水流方向平行且垂直于水平面的平面。

本发明工作时，汽车4置于水流中，并将车头（如图1至图2所示）或车尾（如图3至图4所示）正对水流来流方向，第一定滑轮2处于汽车4的上游，第二定滑轮6处于汽车4的下游。汽车4在绕流阻力、浮力、第一绳子3的拉力、第二绳子5的拉力、汽车4的重力、地面的支持力及汽车4与地面的摩擦力的共同作用下保持平衡。显示器9的输入端通过导线8和拉力传感器1的输出端电连接。记录显示器9显示的拉力传感器1所受到的作用力的量测值F₁。逐步增加加重物10的重量，同步记录显示器9中显示的量测值。当显示器9显示的拉力传感器1所受到的作用力的量测值刚开始增大时，记录此时加重物10总重量为F₂。此时，在水流方向上，F₁、F₂、汽车4所受的绕流阻力F_D、汽车4的重力在水流方向上的分力G₁、汽车4受到的浮力在水流方向上的分力F_B1及汽车4与地面之间的最大静摩擦力f_max的合力达到平衡（如图5所示），即：

F₁+f_max+F_B1=F₂+F_D+G₁ ①

式①中，f_max是该水流状态下汽车4与地面之间的最大静摩擦力；F₁是未增加加重物10的重量时显示器9显示的拉力传感器1所受到的作用力的量测值；F₂是逐步增加加重物10的重量，当显示器9显示的拉力传感器1所受到的作用力的量测值刚开始增大时加重物10的总重量；F_D是汽车4受到的绕流阻力；G₁是汽车4的重力在水流方向上的分力，G₁=Gsinθ，θ是地面与水平面的夹角（如图1或图3所示）；F_B1是汽车4受到的浮力F_B在水流方向上的分力，F_B1=F_Bsinθ，其中汽车4在水中受到的浮力F_B可通过阿基米德定律求得。

在这个状态下如果继续增加加重物的重量，第一绳子3受到的拉力增大，伸缩装置7将伸长，显示器9显示的拉力传感器1所受到的作用力的量测值将逐渐增大。

然后调节位置调节装置17，使得拉力传感器1在第一绳子3位于第一定滑轮2与伸缩装置7之间的部分V所在的直线的方向上逐渐远离第一定滑轮2，伸缩装置7被逐渐拉长，第一绳子3的拉力逐渐增大，汽车4的相对运动趋势由向水流方向变为向水流方向的反方向，从而改变了汽车4与地面的摩擦力的方向。位置调节装置17可选用升降器。汽车4与地面的之间的摩擦力先在水流方向的反方向上逐渐减小直至为零然后沿着水流方向逐渐增大。当观察到汽车4刚开始运动时，记录显示器9显示的拉力传感器1所受到的作用力的量测值F₃，此时F₃、F₂、汽车4在该水流状态下受到的绕流阻力F_D、汽车4的重力在水流方向上的分力G₁、汽车4受到的浮力F_B在水流方向上的分力F_B1及汽车4与地面之间的最大静摩擦力f_max的合力达到平衡（如图6所示），既有：

F₃+F_B1=F₂+F_D+f_max+G₁ ②

式②中，F₃是调节位置调节装置17使观察到汽车4刚开始运动时，记录显示器9显示的拉力传感器1所受到的作用力的量测值。

在这个状态下如果继续调节位置调节装置17，伸缩装置7将继续被拉长，汽车4将向水流方向的反方向运动。

联立公式①和公式②，即可得到该水流状态下汽车4受到的绕流阻力F_D及汽车4与地面之间的最大静摩擦力f_max：

F_{D} = \frac{F_{1} + F_{3}}{2} + F_{B 1} - F_{2} - G_{1}

③

f_{\max} = \frac{F_{3} - F_{1}}{2}

④

综上，将汽车4置于水流中并将车头（如图1至图2所示）或车尾（如图3至图4所示）正对水流来流方向，第一定滑轮2处于汽车4的上游，第二定滑轮6处于汽车4的下游。调整位置调节装置17、第一定滑轮2、汽车4和第二定滑轮6的相对位置使伸缩装置7与第一绳子3的连接点11、第一绳子3与汽车4的车头（如图1至图2所示）的连接点12（或与汽车4的车尾（如图3至图4所示）的连接点15）、第二绳子5与汽车4的车尾（如图1至图2所示）的连接点13（或与汽车4的车头（如图3至图4所示）的连接点16）以及第二绳子5与加重物10的连接点14位于同一水流流向平面内；第一绳子3位于第一定滑轮2与汽车4的车头（如图1至图2所示）之间的部分Ⅰ（或与汽车4的车尾（如图3至图4所示）之间的部分Ⅲ）与第二绳子5位于第二定滑轮6与汽车4的车尾（如图1至图2所示）之间的部分Ⅱ（或与汽车4的车头（如图3至图4所示）之间的部分Ⅳ）共线且与地面平行。当水流绕过汽车4时，拉力传感器1将测量信号通过导线8传输至显示器9，记录拉力传感器1的量测值F₁。逐步增加加重物10的重量，同步记录显示器9中显示的量测值。当显示器9显示的拉力传感器1所受到的作用力的量测值刚开始增大时，记录此时加重物10总重量为F₂。调节位置调节装置17使伸缩装置7被逐渐拉长，汽车4与地面的之间的摩擦力先在水流方向的反方向上逐渐减小直至为零然后沿着水流方向逐渐增大。当观察到汽车4刚开始运动时，记录显示器9显示的拉力传感器1所受到的作用力的量测值F₃。利用公式③和公式④即可得到该水流状态下汽车4受到的绕流阻力F_D及汽车4与地面之间的最大静摩擦力f_max。

Claims

1.一种汽车在水流中受到的作用力的测量装置，其特征是：包括拉力传感器（1）、第一定滑轮（2）、第一绳子（3）、第二绳子（5）、第二定滑轮（6）、加重物（10）、伸缩装置（7）和位置调节装置（17），所述拉力传感器（1）的一端与所述位置调节装置（17）固定连接，所述拉力传感器（1）的另一端与所述伸缩装置（7）的一端固定连接，所述第一绳子（3）绕经所述第一定滑轮（2），所述第一绳子（3）的一端与所述伸缩装置（7）的另一端固定连接，所述第一绳子（3）的另一端与汽车（4）的车头固定连接，所述第二绳子（5）绕经所述第二定滑轮（6），所述第二绳子（5）的一端与汽车（4）的车尾固定连接，所述第二绳子（5）的另一端加载有所述加重物（10），所述伸缩装置（7）与第一绳子（3）的连接点（11）、第一绳子（3）与汽车（4）的车头的连接点（12）、第二绳子（5）与汽车（4）的车尾的连接点（13）以及第二绳子（5）与加重物（10）的连接点（14）位于同一水流流向平面内；所述第一绳子（3）位于第一定滑轮（2）与汽车（4）的车头之间的部分（Ⅰ）与所述第二绳子（5）位于第二定滑轮（6）与汽车（4）的车尾之间的部分（Ⅱ）共线且与地面平行。

2.一种汽车在水流中受到的作用力的测量装置，其特征是：包括拉力传感器（1）、第一定滑轮（2）、第一绳子（3）、第二绳子（5）、第二定滑轮（6）、加重物（10）、伸缩装置（7）和位置调节装置（17），所述拉力传感器（1）的一端与所述位置调节装置（17）固定连接，所述拉力传感器（1）的另一端与所述伸缩装置（7）的一端固定连接，所述第一绳子（3）绕经所述第一定滑轮（2），所述第一绳子（3）的一端与所述伸缩装置（7）的另一端固定连接，所述第一绳子（3）的另一端与汽车（4）的车尾固定连接，所述第二绳子（5）绕经所述第二定滑轮（6），所述第二绳子（5）的一端与汽车（4）的车头固定连接，所述第二绳子（5）的另一端加载有所述加重物（10），所述伸缩装置（7）与第一绳子（3）的连接点（11）、第一绳子（3）与汽车（4）的车尾的连接点（15）、第二绳子（5）与汽车（4）的车头的连接点（16）以及第二绳子（5）与加重物（10）的连接点（14）位于同一水流流向平面内；所述第一绳子（3）位于第一定滑轮（2）与汽车（4）的车尾之间的部分（Ⅲ）与所述第二绳子（5）位于第二定滑轮（6）与汽车（4）的车头之间的部分(Ⅳ)共线且与地面平行。

3.根据权利要求1或2所述的作用力测量装置，其特征是：所述第一定滑轮（2）处于汽车（4）的上游，所述第二定滑轮（6）处于汽车（4）的下游。

4.根据权利要求1或2所述的作用力测量装置，其特征是：还包括显示器（9），所述显示器的输入端与所述拉力传感器（1）的输出端电连接。

5.根据权利要求3所述的作用力测量装置，其特征是：还包括显示器（9），所述显示器的输入端与所述拉力传感器（1）的输出端电连接。