CN104361794B - 多状态运动研究装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于动力学研究的轨道。滑环在竖直平面圆周运动难以演示，本发明提出一种多状态运动研究装置，可以用于研究、观察滑环的运动。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：多状态运动研究装置，其特征是：由直线轨道和两段圆弧轨道依序连接，并且由设置在同一平面的摄像头进行拍摄。本发明可以实现多种实验的演示和研究。

Description

多状态运动研究装置

本申请是申请号为：2013103299735、申请日为：2013年8月1日、发明创造名称为：多状态运动研究装置的发明申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种用于动力学研究、演示用的轨道。

背景技术

动力学研究有时候会涉及环状物体的圆周运动，而且，该环状物体套设于圆形轨道（即：受圆形轨道的约束），且圆形轨道所属平面为竖直平面，可是，现有研究大多是理论研究，缺少相关的装置用于研究这种运动。所述环状物体，被命名为滑环，其为圆环状。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明提出一种多状态运动研究装置，本发明可以用于研究、观察滑环的运动，包括接触情况、运动的分解情况。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：多状态运动研究装置，包括：底座4，第一冂形支架21，第二冂形支架22，滑杆31，摄像头32，第一轨道11，第二轨道12，第三轨道13，套设于所述轨道、用于沿着轨道滑动的滑环5，其特征是：

第一轨道11为倾斜的直线轨道，第二轨道12为圆弧形轨道，第三轨道13为圆弧形轨道，

第一轨道11、第二轨道12、第三轨道13平滑、固定连接形成轨道整体，且第一轨道11、第二轨道12、第三轨道13处于同一个竖直平面，

第一轨道11的低端和第二轨道12连接，第二轨道12为凹弧形轨道，第三轨道13和第二轨道12连接，第三轨道13为凸弧形轨道，

第二轨道12相对于第二轨道12的最低点水平对称，第三轨道13相对于第三轨道13的最高点水平对称，

第一冂形支架21的下端固定连接于底座4，第一冂形支架21所属上杆的中点固定连接轨道整体，第二冂形支架22的下端固定连接于底座4，第二冂形支架22所属上杆的中点固定连接轨道整体，且第一冂形支架21、第二冂形支架22分居在轨道整体两端：第一冂形支架21和第一轨道11外端连接，第二冂形支架22和第三轨道13外端连接，

经过第二冂形支架22最高点的水平线介于：第二轨道12最低点和第三轨道13最高点之间，

滑杆31垂直于底座4，且和底座4固定连接，滑杆31和第三轨道13处于同一个竖直平面，且滑杆31、第一冂形支架21、第二冂形支架22的水平位置关系为：滑杆31和第一冂形支架21之间有第二冂形支架22，

滑杆31设有沿滑杆31上下滑动的摄像头32。

所述第一冂形支架21所属上杆是直杆，且平行于底座4，所述第二冂形支架22所属上杆是直杆，且平行于底座4。

还包括：在第三轨道13和第二冂形支架22之间设置的缓冲块6。

所述滑环5的质心位置属于其直径，且质心距圆心的长度为：滑环外径的四分之一至二分之一。

所述第一轨道11还包括用于反映长度的刻度。

本发明为动力学研究装置提出一种新的技术方案。

附图说明

图1为本发明的正视图。

图2为本发明的俯视图。

图中11-第一轨道，12-第二轨道，13-第三轨道，21-第一冂形支架，22-第二冂形支架，31-滑杆，32-摄像头，4-底座，5-滑环，6-缓冲块。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的设计和使用进一步说明。

参见附图1，是本发明的正视图，附图2是本发明的俯视图，这两幅附图表示了本发明的结构：多状态运动研究装置，包括：底座4，第一冂形支架21，第二冂形支架22，滑杆31，摄像头32，第一轨道11，第二轨道12，第三轨道13，套设于所述轨道、用于沿着轨道滑动的滑环5，其特征是：

第一轨道11为倾斜的直线轨道，第二轨道12为圆弧形轨道，第三轨道13为圆弧形轨道，

第一轨道11、第二轨道12、第三轨道13平滑、固定连接形成轨道整体，且第一轨道11、第二轨道12、第三轨道13处于同一个竖直平面，

第一轨道11的低端和第二轨道12连接，第二轨道12为凹弧形轨道，第三轨道13和第二轨道12连接，第三轨道13为凸弧形轨道，

第二轨道12相对于第二轨道12的最低点水平对称，第三轨道13相对于第三轨道13的最高点水平对称，

第一冂形支架21的下端固定连接于底座4，第一冂形支架21所属上杆的中点固定连接轨道整体，第二冂形支架22的下端固定连接于底座4，第二冂形支架22所属上杆的中点固定连接轨道整体，且第一冂形支架21、第二冂形支架22分居在轨道整体两端：第一冂形支架21和第一轨道11外端连接，第二冂形支架22和第三轨道13外端连接，

经过第二冂形支架22最高点的水平线介于：第二轨道12最低点和第三轨道13最高点之间，

滑杆31垂直于底座4，且和底座4固定连接，滑杆31和第三轨道13处于同一个竖直平面，且滑杆31、第一冂形支架21、第二冂形支架22的水平位置关系为：滑杆31和第一冂形支架21之间有第二冂形支架22，

滑杆31设有沿滑杆31上下滑动的摄像头32。

本发明可以是这样的：所述第一冂形支架21所属上杆是直杆，且平行于底座4，所述第二冂形支架22所属上杆是直杆，且平行于底座4。

本发明还可以是这样的：还包括：在第三轨道13和第二冂形支架22之间设置的缓冲块6。

本发明还可以是这样的：所述滑环5的质心位置属于其直径，且质心距圆心的长度为：滑环外径的四分之一至二分之一。

本发明还可以是这样的：所述第一轨道11还包括用于反映长度的刻度。

接下来对发明做进一步的解释：

摄像头属于现有技术，相关领域技术人员应当知晓：1，利用电脑或者电视机或者投影仪可以把摄像头拍摄的画面显示出来。2，处理摄像头拍摄的画面，可以获悉被摄像物体的位置，从而获悉速度、加速度等物理量。3，摄像头具有一定的视角，还有一些摄像头的视角可调。

滑杆31设有沿滑杆31上下滑动的摄像头32，这是相关领域技术人员不经过创造性劳动就可以实现的，比如用卡子固定，比如用绳子捆绑，比如用橡皮筋捆绑，这样操作有两个好处：1，便于改变摄像头32在滑杆31的位置，2，若需要固定摄像头32的位置，也容易固定。

冂形支架由三根杆组成，两根平行，第三根（被命名为上杆）和另外两根垂直，在本发明中，底座4的位置为最下方，冂形支架的两根平行杆和底座固定连接，冂形支架所属的上杆用于连接轨道。

凸弧形轨道的形状也被称为拱桥的形状，是向上方凸起的弧形。

凹弧形轨道：凸弧形拱桥在水中的倒影形状就是凹弧形。

相关领域技术人员应当知晓本发明所述的轨道适宜使用截面为圆形的材料制作。比如用截面为圆形的钢筋制成本发明所述的轨道，并且尽可能减少摩擦。

第一轨道（11）、第二轨道（12）、第三轨道（13）平滑、固定连接形成轨道整体，这句话的意思是：连接处不要有棱角。棱角会严重影响滑环的运动。可以用一根钢筋制弯成轨道整体，就可以很好的保证平滑。如果用三根钢筋分别制作轨道，然后焊接、打磨，很浪费时间，并且加工精度也很难得到保证。

使用方法可以是这样的：

调整摄像头32在滑杆31的高度，使摄像头32拍摄的中心位置对着第三轨道13的最高点，

然后，把滑环5从第一轨道11的某个位置释放，

若滑环5经过第三轨道13最高点时速度较小，可以看到：滑环5中间孔的上部分接触了第三轨道13，若滑环5经过第三轨道13最高点时速度较大，可以看到：滑环5中间孔的下部分接触了第三轨道13，若滑环5经过第三轨道13最高点时速度为某一速度时，可以看到：滑环5中间孔和第三轨道13没有接触。接触反映了弹力的方向。对第三轨道13最高点而言，滑环5不接触第三轨道最高点的速度大小是和第三轨道13的半径、当地重力加速度有关-------这是相关领域技术人员应当知晓的理论知识。

实验操作者可以改变滑环5在第一轨道11的释放位置，从而改变滑环5的初始势能，从而改变滑环5经过第三轨道13最高点的速度。

使用方法可以是这样的：

调整摄像头32在滑杆31的高度，使摄像头32拍摄的中心位置对着第二轨道12的最低点，

然后，把滑环5从第一轨道11的某个位置释放，

可以观察滑环5和第二轨道的接触情况。

使用方式可以是这样的：

调整摄像头32在滑杆31的高度，使摄像头32拍摄的画面包括第三轨道13的最高点和最低点，

然后，把滑环5从第一轨道11的某个位置释放，

可以观察滑环5在受到第三轨道13约束时的竖直速度如何变化。滑杆31、第一轨道11、第二轨道12、第三轨道13都是同一个竖直平面，所以，摄像头拍摄的画面相当于侧视图，摄像头“看到的”速度，是滑环5的竖直速度。因为摄像头有一定的视角（或成为拍摄角度的范围），所以，计算滑环5竖直速度时，要考虑到视角造成的影响。

使用方式可以是这样的：

调整摄像头32在滑杆31的高度，使摄像头32拍摄的画面包括第二轨道12的最高点和最低点，

然后，把滑环5从第一轨道11的某个位置释放，

可以观察滑环5在受到第二轨道12约束时的竖直速度如何变化。

使用方法可以是这样的：

调整摄像头32在滑杆31的高度，使摄像头32拍摄的画面包括第二轨道12的最高点和最低点，

然后，把滑环5从第一轨道11的某个位置释放，

可以观察滑环5在受到第二轨道12约束时的竖直速度如何变化。

使用方法可以是这样的：

调整摄像头32在滑杆31的高度，使摄像头32拍摄的画面包括要研究的轨道，

然后，把滑环5从第一轨道11的某个位置释放，

可以观察滑环5在受到第二轨道12约束时的水平速度如何变化。因为摄像头有一定的视角，所以，根据滑环5显示在画面的大小就可以判断水平速度变化情况。

使用方法还可以是这样的：

把拍摄的画面输入到相关信号处理仪器中，输入相关物理量，由信号处理仪器计算速度、水平速度、竖直速度、加速度等物理量。

使用方法还可以是这样的：

因为第一冂形支架21所属上杆是直杆，所以，可以利用该直杆固定连接其他实验仪器，比如连接一个和底座4平行的杆，然后，杆上固定一个摄像装置，就可以换个视角用来研究滑环的运动情况。

使用方法还可以是这样的：

减小摄像头拍摄的画面播放速度，就可以更仔细的观察滑环的运动。

使用方法还可以是这样的：

在滑杆31套设运动传感器（运动传感器是现有技术，利用超声波探测和运动有关物理量，比如距离、速度、加速度），就可以用来绘制滑环5的速度-时间图象、（注：图象也被写为图像。）加速度-时间图象。这样探测的速度，非常近似于水平速度。

对于相关领域技术专家来说，上述运动情况是容易通过理论分析得到的，但是，对于动力学理论的初学者而言，很难见到某些现象，比如：若滑环5经过第三轨道13最高点时速度较小，可以看到：滑环5中间孔的上部分接触了第三轨道13，若滑环5经过第三轨道13最高点时速度较大，可以看到：滑环5中间孔的下部分接触了第三轨道13，若滑环5经过第三轨道13最高点时速度为某一速度时，可以看到：滑环5中间孔和第三轨道13没有接触。

利用本发明，可以用于演示、研究一些动力学问题，并且演示方法可以做多种变化。若将其作为教学用具，可以为初学者提供很好的感性认识。

经过第二冂形支架22最高点的水平线介于：第二轨道12最低点和第三轨道13最高点之间。原因是：摄像头可以拍摄第三轨道13和第二轨道12。倘若经过第二冂形支架22最高点的水平线和第三轨道13最高点相同的水平高度，摄像头就不能拍摄到滑环在第三轨道13最高点的运动情况。

第二轨道12相对于第二轨道12的最低点水平对称，第三轨道13相对于第三轨道13的最高点水平对称，其理由为：便于在视频图像中确定轨道的起始点。对已经确定的轨道来说，确定起始点就是确定轨迹，对动力学研究来说，确定起始点是非常重要的。

在本发明中，采用冂形支架来支撑轨道，而不是采用一根竖直杆来支撑的理由为：1，如果采用竖直杆，那么，摄像头拍摄到的画面就会被竖直杆遮挡。采用冂形支架，就不会遮挡摄像头拍摄滑环。2，冂形支架具有两根固定在底座的杆，采用这样的设计非常有必要，因为滑环沿着杆滑动的时候，滑环迅速改变速度，对轨道的冲击较大，所以，需要很好的固定。3，冂形支架具有竖直杆和水平杆，便于固定其他装置，这样的设计，对研究者或者教师来说，就留下了很多可扩展的空间，比如：便于利用冂形支架加装用来探测竖直速度的运动传感器。

有必要解释的是：水平速度指速度的水平分量，竖直速度指速度的竖直分量。意思是把速度分解成水平、竖直方向。

第一冂形支架21、第二冂形支架22分居在轨道整体两端：第一冂形支架21和第一轨道11外端连接，第二冂形支架22和第三轨道13外端连接。这句话是这个意思：如果支架不在轨道两端，而在滑环5经过的路径，那么冂形支架就会挡住滑环5，所以，冂形支架应当架设在轨道整体的两端。

在第三轨道13和第二冂形支架22之间还设置有缓冲块6。这句话是这个意思：滑环5从第一轨道11运动到第二轨道12，再运动到第三轨道13，最终还是要停下的，为了防止滑环5猛烈撞击冂形支架，可以用海绵做成一个缓冲块。

另外，缓冲块还具有这样的用途：滑环5碰撞到缓冲块6后，不可避免反弹运动，本发明还可以用来研究或者演示反弹后的速度如何变化。

还需要解释的有：

演示并观察到这三种现象属于技术难题。这三种现象是：

若滑环5经过第三轨道13最高点时速度较小，可以看到：滑环5中间孔的上部分接触了第三轨道13；

若滑环5经过第三轨道13最高点时速度较大，可以看到：滑环5中间孔的下部分接触了第三轨道13；

若滑环5经过第三轨道13最高点时速度为某一特定速度时，可以看到：滑环5中间孔和第三轨道13没有接触。

以往尚没有装置（或者教具）能很好的反映此类现象。本发明较好的解决了技术难题：1、利用第一轨道11确定势能大小，可以保证每次的初势能一样大；2、利用第二轨道12改变滑环5运动方向，使从第一轨道11运动的滑块5经过第二轨道12的改变（或称为约束），即从直线运动变为曲线运动。

如上段所述，为什么不把第一轨道11和第三轨道13直接连接呢？理由为：

1，第一轨道11和第三轨道13在实际加工的时候，很难平滑连接，

2，倘若用了很先进的工艺，把第一轨道11和第三轨道13连接，即使做的很平滑，也存在一个问题：速度的损失。什么是速度的损失呢？举个例子来说：一个斜面和一个水平面相接，一个物体自斜面下滑至水平面，这个物理情景的实际情况是很复杂的：物体沿着斜面下滑，具有和斜面相同方向的速度方向，该速度可以分解为水平方向的速度和竖直方向的速度，物体触碰到水平面，就会损失竖直方向的速度。换句话说，把第一轨道11和第三轨道13连接，很容易发生这种速度的损失，也可以称为动能的损失，那是因为滑环本身有一定的厚度，滑环在从第一轨道直接到第三轨道的时候不可以视为质点。

3，利用第二轨道12作为第一轨道和第三轨道的衔接，因为水平距离增大了，不但易于平滑连接，而且，滑环本身厚度能够被忽略，由此损失的动能几乎可以不考虑，并且第二轨道12作为动力学常常研究的轨迹形式，也在本发明中被得以研究或演示。

实验发现，滑环5从第二轨道12向第三轨道13过度的时候，滑环5所在的平面常常偏离竖直平面，经过实验发现，倘若滑环的质心（也常常被称为重心）和圆心重合，50次实验，只有18次较为理想，所谓较为理想是指：滑环5所在的平面和竖直平面的夹角小于10度。这对于演示实验来说，是很糟糕的事情。

为什么要追求滑环5所在的平面和竖直面重合呢？因为要测定速度、位置等物理量，有时候要借助滑环的大小作为中间值计算（比如将滑环尺寸作为比例尺获知位置的变化情况），滑环偏离竖直面，由此造成滑环在图片（或者画面、视频）中的大小发生改变，这对实验来说是不利因素。

为此，本发明提出技术手段为：所述滑环5的质心位置属于其直径，且质心距圆心的长度为：滑环外径的四分之一至二分之一。相关领域技术人员应当能够理解，质心低，会使稳定性增加，滑环5在沿轨道运动的时候，重心在轨道下方。相关领域技术人员应当知晓：把滑环5从第一轨道释放的时候，就应该让重心位于轨道下方，且正下方，这有益于滑环5保持不变的姿态。

滑环5的质心位置属于其直径，且质心距圆心的长度为：滑环外径的四分之一至二分之一，以此方案做实验发现：每组50次实验，一共做三组，共150次实验，有127次滑环5的姿态较为理想。

在以往的一些动力学试验中，运动物体基本上可视为质点，即使运动物体发生一些扭转，对实验也没有较大影响，而本实验，要借助滑环本身大小得到一些数据，所以，解决滑环常常偏转的问题就是很重要的问题。利用滑环本身的尺寸，在很多情况下可以忽略摄像头视角造成的影响。因为所拍摄画面中滑环5所占画面的尺寸虽然变了，但是，滑环5和其紧密接触的物体的比例却没有发生变化。

制作一个质心不在圆心的滑环是一件很容易的事情：比如，用塑料和钢材制作滑环的两个部分，然后，粘接到一起，就可以很容易的让质心位置不在圆心。确定质心的位置也属于现有技术。

本发明为动力学研究、演示、教学提供了一种新的技术方案。

Claims (1)

1.多状态运动研究装置，包括：底座(4)，第一冂形支架(21)，第二冂形支架(22)，滑杆(31)，摄像头(32)，第一轨道(11)，第二轨道(12)，第三轨道(13)，套设于轨道、用于沿着轨道滑动的滑环(5)，其特征是：

第一轨道(11)为倾斜的直线轨道，第二轨道(12)为圆弧形轨道，第三轨道(13)为圆弧形轨道，

第一轨道(11)、第二轨道(12)、第三轨道(13)平滑、固定连接形成轨道整体，且第一轨道(11)、第二轨道(12)、第三轨道(13)处于同一个竖直平面，

第一轨道(11)的低端和第二轨道(12)连接，第二轨道(12)为凹弧形轨道，第三轨道(13)和第二轨道(12)连接，第三轨道(13)为凸弧形轨道，

第二轨道(12)相对于第二轨道(12)的最低点水平对称，第三轨道(13)相对于第三轨道(13)的最高点水平对称，

第一冂形支架(21)的下端固定连接于底座(4)，第一冂形支架(21)所属上杆的中点固定连接轨道整体，第二冂形支架(22)的下端固定连接于底座(4)，第二冂形支架(22)所属上杆的中点固定连接轨道整体，且第一冂形支架(21)、第二冂形支架(22)分居在轨道整体两端：第一冂形支架(21)和第一轨道(11)外端连接，第二冂形支架(22)和第三轨道(13)外端连接，

经过第二冂形支架(22)最高点的水平线介于：第二轨道(12)最低点和第三轨道(13)最高点之间，

滑杆(31)垂直于底座(4)，且和底座(4)固定连接，滑杆(31)和第三轨道(13)处于同一个竖直平面，且滑杆(31)、第一冂形支架(21)、第二冂形支架(22)的水平位置关系为：滑杆(31)和第一冂形支架(21)之间有第二冂形支架(22)，

滑杆(31)设有沿滑杆(31)上下滑动的摄像头(32)，

所述第一冂形支架(21)所属上杆是直杆，且平行于底座(4)，所述第二冂形支架(22)所属上杆是直杆，且平行于底座(4)，

所述滑环(5)的质心位置属于其直径，且质心距圆心的长度为：滑环外径的四分之一至二分之一，

所述第一轨道(11)还包括用于反映长度的刻度。