CN104299486B - 马格努斯效应演示仪 - Google Patents

Abstract

本发明所提供的马格努斯效应演示仪，包括外壳支撑结构，在所述外壳支撑结构中分别设置有送风机构和摆动装置；所述送风机构设置在所述外壳支撑结构的上部；所述摆动装置设置在送风机构的正下方；其中摆动装置包括圆柱体、第一电机、抱箍以及摆杆组件；其中，第一电机设置在圆柱体中，并与圆柱体同轴，从而能够驱动圆柱体同轴旋转；所述抱箍一端与电机可旋转式连接，并且另一端与摆杆组件连接。通过本发明的马格努斯效应演示仪实现了以下有益效果：使公众了解流体力学的科学知识，结合生活中的实例，理解为什么球在运动过程中会发生偏转等生活现象，激发公众热爱科学、探索科学。

Description

马格努斯效应演示仪

技术领域

本发明涉及一种流体力学领域中的演示装置，更具体地，涉及一种用于研究和演示物体在气流中运动的马格努斯效应演示仪。

背景技术

马格努斯效应是流体力学中的重要定律。该效应主要体现为：当一个旋转物体的旋转角速度矢量与物体飞行速度矢量不重合时，在与旋转角速度矢量和平动速度矢量组成的平面相垂直的方向上将产生一个横向力。在这个横向力的作用下物体飞行轨迹发生偏转的现象称作马格努斯效应。旋转物体之所以能在横向产生力的作用，从物理角度分析，是由于物体旋转可以带动周围流体旋转，使得物体一侧的流体速度增加，另一侧流体速度减小。根据伯努利定理，流体速度增加将导致压强减小，流体速度减小将导致压强增加，这样就导致旋转物体在横向的压力差，并形成横向力。同时由于横向力与物体运动方向相垂直，因此这个力主要改变飞行速度方向，即形成物体运动中的向心力，因而导致物体飞行方向的改变，图1示出了旋转物体在气流中的马格努斯效应。在我们的生活中，最常见的马格努斯效应就是例如体育赛事中的香蕉球弧线偏转运动。

马格努斯效应的动态演示无论是对于学生的科普、还是科技工作者对于高速旋转的物体在气流中运行轨迹的研究都是至关重要的。我们通过检索发现，目前还没有展示马格努斯效应原理的互动形式的演示装置。目前有一些装置只是让操作者体验弧线物体的发射过程，并未涉及原理部分操作和控制。还有一些展示流体力学伯努利定律的科普装置，但展示内容与本发明的演示装置有着明显区别。

发明内容

本发明为了克服上述缺乏人机互动、无法使操作者了解马格努斯效应原理等一系列缺陷，通过更加直观、形象的演示手段来再现高速旋转的物体在气流中的运行轨迹，从而便于科技工作人员对高速旋转的物体的马格努斯效应更好的了解，以便于设计各种相关产品。

本发明所提供的马格努斯效应演示仪，包括外壳支撑结构，在所述外壳支撑结构中分别设置有送风机构和摆动装置；所述送风机构设置在所述外壳支撑结构的上部；所述摆动装置设置在送风机构的正下方；其中摆动装置包括圆柱体、第一电机、抱箍以及摆杆组件；其中，第一电机设置在圆柱体中，并与圆柱体同轴，从而能够驱动圆柱体同轴旋转；所述抱箍一端与电机可旋转式连接，并且另一端与摆杆组件连接。

通过本发明的马格努斯效应演示仪实现了以下有益效果：使公众了解流体力学的科学知识，结合生活中的实例，理解为什么球在运动过程中会发生偏转等生活现象，激发公众热爱科学、探索科学。

附图说明

图1示出旋转物体在气流中的马格努斯效应；

图2示出本发明实施例的马格努斯效应演示仪的正面透视图；

图3示出本发明实施例的马格努斯效应演示仪的侧面透视图；

图4示出本发明实施例的马格努斯效应演示仪的主视图；

图5示出本发明实施例的马格努斯效应演示仪的摆动装置的结构示意图；

图6示出本发明实施例的马格努斯效应演示仪的控制原理方框图。

附图标记列表

1、钢架；2、刨板；3、顶板；4、显示器面板；5、面板；6、透明板压板；7、透明板；8、风扇固定套；9、第二电机；10、扇叶；11、等离子电视；12、摆动装置；13、油槽；14、上网罩；15、整流板；16、围板；17、下网罩；18、挡板；21、装饰盖；22、圆柱体；23、第一电机；24、抱箍；25、摆杆组件；26、前装饰盖；27、后装饰盖；28、第一绝缘垫；29、第二绝缘垫；30、固定板；31、弹片；32、固定座；33、支座；34、配重；35、挡板

如图所示，为了能明确实现本发明的实施例的结构，在图中标注了特定的结构和器件，但这仅为示意需要，并非意图将本发明限定在该特定结构、器件和环境中，根据具体需要，本领域的普通技术人员可以将这些器件和环境进行调整或者修改，所进行的调整或者修改仍然包括在后附的权利要求的范围中。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明提供的一种马格努斯效应演示仪进行详细描述。同时在这里做以说明的是，为了使实施例更加详尽，下面的实施例为最佳、优选实施例，对于一些公知技术本领域技术人员也可采用其他替代方式而进行实施；而且附图部分仅是为了更具体的描述实施例，而并不旨在对本发明进行具体的限定。同时需要说明的是，为了不模糊本发明的发明点，本发明对于一些公知技术，如简单的控制原理、机械连接以及电路连接这里将不再赘述。

图2-4分别示出了本发明的马格努斯效应演示仪的正面透视图、侧面透视图以及主视图。如图所示，马格努斯效应演示仪由钢架1、刨板2、顶板3构成外壳支撑结构，在该外壳支撑结构中分别设置了送风机构和摆动装置12。送风机构设置在外壳支撑结构的上部，并主要由风扇固定套8、第二电机9、扇叶10构成，其中扇叶固定在风扇固定套8上，并由第二电机9进行驱动。

如图3所示，摆动装置12设置在送风机构的正下方。在本实施例中摆动装置12优选由设置在外壳支撑结构中间的挡板18来支撑。在下文，将参照图5来详细描述摆动装置12的组成。

在本实施例中，优选地，为了有利于参与者理解马格努斯效应展示的科学原理，在马格努斯效应演示仪的外壳支撑结构中的上部后壁上设置有等离子电视11以及显示器面板4。该等离子电机可配合演示者，并通过光盘等存储设备经由显示器面板4演示如图1所示的马格努斯效应，或通过声像演示来展示马格努斯效应的科学原理。

在本发明的优选实施例中，为了参与者能够一方面清楚的观察到马格努斯效应演示仪中的马格努斯效应，而另一方面，为了避免外部环境对送风机构和摆动装置的影响，在马格努斯效应演示仪的正面还设置有透明板7，从而有效避免了外界气流对摆动装置的影响。

此外，在本发明的优选实施例中，为了进一步确保马格努斯效应演示仪的精准演示，还在马格努斯效应演示仪的外壳支撑结构的上部如图4所示，设置了上网罩14、整流板15、围板16以及下网罩17。其中上网罩通过围板与下网罩结合，而构成椭圆形空心结构。该空心结构被设置在外壳支撑结构的上部，空心结构的开口面与马格努斯效应演示仪的正面相平行。整流板垂直于椭圆形空心结构的开口面，并设置在该椭圆形空心结构的中部，从而用于对送风机构的送风进行整流。在外壳支撑结构设置了上述部件后，送风机构被设置在上网罩上，同时将摆动装置设置在下网罩上。送风机构在送风时，由整流板对送风进行整流后，而均匀地吹在摆动装置12的圆柱体上。

图5示出本发明实施例的马格努斯效应演示仪的摆动装置的结构示意图。摆动装置主要包括圆柱体22、第一电机23、抱箍24、摆杆组件25。其中，第一电机设置在圆柱体中，并与圆柱体同轴，从而能够驱动圆柱体旋转。抱箍一侧与电机可旋转式连接，另一端与摆杆组件连接。在演示者启动第一电机后，第一电机驱动圆柱体旋转。在送风机构启动送风后，由于马格努斯效应，圆柱体22会通过抱箍带动摆杆组件发生摇摆，从而使参与者能够清楚地观察到马格努斯效应。

在本发明的优选实施例中，为了进一步清楚地显示马格努斯效应，如图5所示，摆动装置还优选包括基座结构，摆杆组件25被装设在基座结构上。

该基座结构包括前装饰盖26、后装饰盖27、第一绝缘垫28、第二绝缘垫29、固定板30、弹片31、固定座32、支座33、配重34、挡板35。其中前装饰盖26通过底部的孔与中间的转筒固定，后装饰盖27过顶部的孔与中间的转筒固定。第一绝缘垫28通过螺钉与上摆杆上的固定板连接，第一绝缘垫28的作用为电机一根电源线通过此上面的金属部分传递到下面。第二绝缘垫29通过螺钉与上摆杆上的固定板连接，其作用：电机一根电源线通过此上面的金属部分传递到下面。固定板30通过上面的绝缘垫一起组合，固定板的作用为传递电机一根线的送电任务。弹片31通过其上的2个孔与下固定板连接，该弹片的作用为将上面电机的一根线电源引入到下面控制箱内(因为上面摆杆要摆动，摆杆上有旋转的电机，整个摆杆摆动要求很灵活，阻力要小，同时电机线可能在摆杆摆动时影响摆杆的灵活度，所以将电机线通过2个电机引入到下面的控制系统内--摆杆自身是金属的，可以承担电机的另外一根线的送电任务。

此外，固定座32的一端焊接与下支撑座，另一端2个M3螺纹孔固定弹片31，其作用为传递电机一根线的送电任务(即：弹片31部位传递过来的)。支撑座33下部与展品固定，其作用：上部通过上面的2个凹槽支撑整个摆动的机构。配重34通过中间通孔穿入下摆杆中，并通过M6止紧螺丝固定在下摆杆上，该配重可在下摆杆上上下移动达到与上摆杆上的电机整体重量平衡。前装饰挡板35通过上面的2个螺丝孔与上面的摆杆连接，该挡板35的作用为摆杆左右摆动时的限位。

图6示出本发明实施例的马格努斯效应演示仪的控制原理方框图。由图6可以看出，马格努斯效应演示仪的控制操作部分由两个按钮和一个旋钮组成。这两个按钮和一个旋钮可设置在如前所述的马格努斯效应演示仪的外壳部分。两个按钮分别用来控制送风机构的风机送风的大小，一个按钮是增加风速，另一个按钮是减小风速。旋钮用来控制摆动装置12的圆柱体旋转的方向和旋转速度。向不同方向旋动旋钮，则圆柱体会相应的顺时针或逆时针方向旋转。旋钮旋动偏移量越大，则圆柱体的旋转速度越快。

由于电器控制部分主要分为对摆动装置的电机控制和对送风结构的电机控制，而这些控制均是控制、电气领域中公知的控制技术，因此这里不再详述。

在科研人员或教学人员使用本发明的马格努斯效应演示仪进行演示时，演示者通过摆动装置12的控制旋钮来控制摆动装置12中的圆柱体22的旋转方向和旋转速度，这时圆柱体22在第一电机23的带动下在原位进行旋转运动。当演示者按下风机启动按钮时，启动风扇的第二电机9，带动扇叶10工作，风从扇叶10通过整流板15由上向下竖直吹出，这时旋转的圆柱体22由于旋转的方向不同，在风力的作用下，与摆动装置12一起向左，或向右倾斜，倾斜的角度与圆柱体22旋转的速度和风速有关，即旋转的速度越快，风速越快，倾斜的角度也就越大。反之，倾斜的角度越小，当圆柱体的旋转结束后，由于配重34的存在，圆柱体会自然回到初始的中间位置。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种马格努斯效应演示仪，包括外壳支撑结构，其特征在于：

在所述外壳支撑结构中分别设置有送风机构和摆动装置；

所述送风机构设置在所述外壳支撑结构的上部；

所述摆动装置设置在送风机构的正下方；

其中摆动装置包括圆柱体、第一电机、抱箍以及摆杆组件；其中，第一电机设置在圆柱体中，并与圆柱体同轴，从而能够驱动圆柱体同轴旋转；所述抱箍一端与电机可旋转式连接，并且另一端与摆杆组件连接。

2.根据权利要求1所述的马格努斯效应演示仪，其特征在于，在所述马格努斯效应演示仪的外壳支撑结构中的上部后壁上设置有等离子电视以及显示器面板。

3.根据权利要求1所述的马格努斯效应演示仪，其特征在于，在所述马格努斯效应演示仪的正面还设置有透明板。

4.根据权利要求1所述的马格努斯效应演示仪，其特征在于，在所述外壳支撑结构的上部设置了上网罩、整流板、围板以及下网罩；

其中上网罩通过围板与下网罩结合，而构成椭圆形空心结构；

所述空心结构被设置在外壳支撑结构的上部，所述空心结构的开口面与所述马格努斯效应演示仪的正面平行，所述整流板垂直于椭圆形空心结构的开口面，并水平设置在所述椭圆形空心结构的中部。

5.根据权利要求4所述的马格努斯效应演示仪，其特征在于，所述送风机构被设置在上网罩上，同时将所述摆动装置设置在下网罩上。

6.根据权利要求1所述的马格努斯效应演示仪，其特征在于，所述外壳支撑结构由钢架、刨板、顶板构成。

7.根据权利要求1所述的马格努斯效应演示仪，其特征在于，所述摆动装置由设置在外壳支撑结构中间的挡板来支撑。