CN107705677B - 地球自转引起的水漩涡原理演示仪 - Google Patents

Abstract

地球自转引起的水漩涡原理演示仪，包括旋转底座、演示器、变速器、驱动电机，演示器、驱动电机、变速器固定在旋转底座的顶面上，演示器的演示面上划分有至少三个直线运动区域，三个直线运动区域通过驱动电机、变速器实现同向而不同速度或同向而同速度的水平运动；通过三个直线运动区域的运动速度，来演示水漩涡的形成原理及赤道、两极点的运动原理。

Description

地球自转引起的水漩涡原理演示仪

技术领域

本发明涉及科普教具领域，具体涉及一种地球自转引起的水漩涡原理演示仪。

背景技术

地球自西向东旋转，物体运动存在自转偏向，在地球上运动的物体，都会发生偏向，在北半球向右偏，在南半球向左偏，这种现象是科氏力在地球自转的一个非惯性系中的惯性力表现，我们称其为地转偏向力。赤道地区旋转的线速度最大（约462m/s），随着纬度升高，线速度越来越小，到了极点减为零，而水漩涡的形成正与地球自转有关。

地球自转角速度是恒定的，而不同纬度其垂直于地轴的圆截面是随纬度增高而相应减小的，其变化规律服从余弦函数图像的变化规律；由图1可以看出，随着纬度逐渐增大，垂直于地轴的截面半径逐渐减小，且速度减小得越来越快。即具有相同纬度差的两条相邻纬度带，它们的纬度越高，它们之间垂轴截面半径之差也越大，也就意味着这两条纬度带的地转线速度之差也随着纬度增大而越来越大，纬度越高，水漩涡越明显，增大到极点时，地轴的截面半径减小至零，赤道处两纬度带间垂轴截面半径之差极小，速度差极小，可忽略不计，解释了赤道处排除外扰因素后水漩涡的形成几乎不可见。

由于知识面与理解能力受限以及相关科普教具的缺失，广大民众对水漩涡的形成原理无法产生一个直观的理解，也无法理解经度、纬度、角速度、线速度、地转偏向力等概念。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出了一种地球自转引起的水漩涡原理演示仪，能演示水漩涡的形成原理及赤道、两极点的运动原理。

本发明的技术方案是：地球自转引起的水漩涡原理演示仪，其特征在于：包括旋转底座、演示器、变速器、驱动电机，演示器、驱动电机、变速器固定在旋转底座的顶面上，演示器的演示面上划分有至少三个直线运动区域，三个直线运动区域通过驱动电机、变速器实现同向而不同速度或同向而同速度的水平运动；演示器包括左转轴、右转轴、第一传送带、第二传送带、第三传送带、固定式滚筒、第一自转式滚筒、第二自转式滚筒，左转轴和右转轴通过轴承座固定在旋转底座的顶面上，第二传送带的左右两端分别通过固定式滚筒与左转轴和右转轴连接，第一传送带的左右两端分别通过第一自转式滚筒与左转轴和右转轴连接，第三传送带的左右两端分别通过第二自转式滚筒与左转轴和右转轴连接，第一传送带和第三传送带位于第二传送带的两侧处，第一传送带、第二传送带、第三传送带的带面合在一起形成一个完整的演示面。

对上述技术方案进一步地限定，所述变速器包括旋转座、左传动轴、左一传动齿轮、左二传动齿轮、左三传动齿轮、右传动轴、右一传动齿轮、右二传动齿轮、右三传动齿轮、第一变速齿轮组、第二变速齿轮组、第三变速齿轮组及锁止器，左传动轴和右传动轴的两端通过两个旋转座固定在旋转底座的顶面上，左传动轴和右传动轴以旋转座的旋转中心线为轴对称设置，左传动轴和右传动轴能绕旋转座的旋转中心线作旋转运动，驱动电机通过齿轮组与左传动轴和右传动轴的一端连接，左传动轴和右传动轴通过齿轮组能相互朝相反方向旋转，左一传动齿轮、左二传动齿轮、左三传动齿轮固定在左传动轴上，右一传动齿轮、右二传动齿轮、右三传动齿轮固定在右传动轴上，第一变速齿轮组与右转轴固定连接，第二变速齿轮组与第一自转式滚筒的外端固定连接，第三变速齿轮组与第二自转式滚筒的外端固定连接，第二变速齿轮组和第三变速齿轮组与右转轴呈同轴线设置，左一传动齿轮或右一传动齿轮能与第一变速齿轮组中的差速齿轮或同速齿轮啮合，左二传动齿轮或右二传动齿轮能与第二变速齿轮组中的差速齿轮或同速齿轮啮合，左三传动齿轮或右三传动齿轮能与第三变速齿轮组中的差速齿轮或同速齿轮啮合，锁止器固定在旋转底座的顶面上，锁止器用于锁止旋转座。此结构的优点：旋转座实现左传动轴与右传动轴之间的快速切换，从而实现变速，具有结构简单、操作方便、制作成本低的优点。

对上述技术方案进一步地改进，所述演示面的前后两侧处均设有滚珠收纳器，滚珠收纳器由连接在一起的收纳盒和演示盒构成。此结构的优点：演示时，滚珠收纳器内的滚珠靠自重滚入至演示面上；演示结束后用于收纳演示面上的滚珠，具有结构简单、制作成本低、使用方便、便于收纳滚珠的优点。

有益效果：本发明中演示面上的三个同向不同速度的直线运动区域能演示水漩涡的形成原理；加之能旋转的旋转底座，从而能演示北半球或南半球中的水漩涡模式运动；演示面上的三个直线运动区域能切换成同向同速度运动，从而能演示赤道运动原理；演示面上的三个直线运动区域静止不动，从而能演示两极点运动原理；本发明可靠性好、操作方便、易于加工制造、经济实用、成本低廉、适合批量化生产，通过演示能直观理解水漩涡的形成原理，可在大众科普教学场所大面积推广应用，能快速、有效的解释水漩涡这一自然现象的科学原理，具有广阔的应用前景、良好的科普效果和巨大的潜在经济效益。

附图说明

图1是背景技术中的示意图。

图2是本发明的主视图。

图3是图2的仰视图。

图4是图3中的A-A向结构示意图。

图5是本发明中的变速器立体图。

图6是本发明中的锁止器结构示意图。

图7是本发明中的滚珠收纳器结构示意图。

图8是本发明北半球模式运动原理示意图。

图9是本发明南半球模式运动原理示意图。

图10是本发明赤道模式运动原理示意图。

图11是本发明两极点模式运动原理示意图。

具体实施方式

如图2、图3和图4所示，地球自转引起的水漩涡原理演示仪，包括旋转底座1、演示器2、变速器3、驱动电机4，演示器、驱动电机、变速器固定在旋转底座的顶面上，演示器的演示面上划分有至少三个直线运动区域，三个直线运动区域通过驱动电机、变速器实现同向而不同速度或同向而同速度的水平运动；

如图3所示，对旋转底座作进一步地说明，所述旋转底座1主要由底板101、轴承102及旋转板103构成，旋转板通过轴承能在底板的板面上作水平转动；

如图4所示，所述演示器2包括左转轴201、右转轴202、第一传送带203、第二传送带204、第三传送带205、固定式滚筒206、第一自转式滚筒207、第二自转式滚筒208，左转轴和右转轴通过轴承座209固定在旋转底座的顶面上，第二传送带的左右两端分别通过固定式滚筒与左转轴和右转轴连接，第一传送带的左右两端分别通过第一自转式滚筒与左转轴和右转轴连接，第三传送带的左右两端分别通过第二自转式滚筒与左转轴和右转轴连接，第一传送带和第三传送带位于第二传送带的两侧处，三条传送带之间排列紧密、但不互相接触、且各带面处于同一水平面，第一传送带、第二传送带、第三传送带的带面合在一起形成一个完整的演示面；

对固定式滚筒206作进一步地说明，是指用于滚动支撑传动带的滚筒与相应的转轴固定连接，滚筒能随转轴一起转动；

对自转式滚筒207和208作进一步地说明，是指用于滚动支撑传动带的滚筒通过轴承与相应的转轴固定连接，滚筒能在转轴上自转；

如图4和图5所示，所述变速器3包括旋转座301、左传动轴302、左一传动齿轮303、左二传动齿轮304、左三传动齿轮305、右传动轴306、右一传动齿轮307、右二传动齿轮308、右三传动齿轮309、第一变速齿轮组310、第二变速齿轮组311、第三变速齿轮组312及锁止器313，左传动轴和右传动轴的两端通过两个旋转座固定在旋转底座的顶面上，左传动轴和右传动轴以旋转座的旋转中心线为轴对称设置，左传动轴和右传动轴能绕旋转座的旋转中心线作旋转运动，驱动电机通过齿轮组314与左传动轴和右传动轴的一端连接，左传动轴和右传动轴通过齿轮组能相互朝相反方向旋转，左一传动齿轮、左二传动齿轮、左三传动齿轮固定在左传动轴上，右一传动齿轮、右二传动齿轮、右三传动齿轮固定在右传动轴上，第一变速齿轮组与右转轴固定连接，第二变速齿轮组与第一自转式滚筒的外端固定连接，第三变速齿轮组与第二自转式滚筒的外端固定连接，第二变速齿轮组和第三变速齿轮组与右转轴呈同轴线设置且两者与右转轴呈间隙配合，左一传动齿轮或右一传动齿轮能与第一变速齿轮组中的差速齿轮或同速齿轮啮合，左二传动齿轮或右二传动齿轮能与第二变速齿轮组中的差速齿轮或同速齿轮啮合，左三传动齿轮或右三传动齿轮能与第三变速齿轮组中的差速齿轮或同速齿轮啮合，第一传送带、第二传送带、第三传送带三者分别通过各自的变速齿轮组实现运动，锁止器固定在旋转底座的顶面上，锁止器用于锁止旋转座；

如图5所示，对旋转座301作进一步地说明，所述两个旋转座的结构相同，主要由轴承支座3001、中心轴3002及旋转板3003构成，中心轴固定在轴承支座内，旋转板的中心处与中心轴连接；其中一个旋转座中的中心轴与驱动电机连接；

对六个传动齿轮作进一步地说明，所述左传动轴或右传动轴上相邻的两个传动齿轮为双联齿轮；

对三个变速齿轮组作进一步地说明，变速齿轮组中的差速齿轮和同速齿轮呈同轴线连接成双联齿轮，差速齿轮实现三条传动带同向而不同速度运动，同速齿轮实现三条传动带同向而同速度运动；

如图6所示，对锁止器313进一步地说明，所述锁止器313主要由插销座3131、插销3132及回位弹簧3133组成，插销座固定在旋转底座的顶面上，插销安装在插销座上，插销能通过回位弹簧自动回位，插销的插头上设有卡槽，左转轴或右转轴能卡在卡槽内；

对齿轮组314作进一步地说明，所述齿轮组由三个啮合在一起的齿轮构成，其中的一个齿轮与驱动电机连接，其余两个齿轮分别固定在左传动轴和右传动轴的端部上；

如图7所示，所述演示面的前后两侧处均设有滚珠收纳器5；演示时，滚珠收纳器内的滚珠靠自重滚入至演示面上；演示结束后用于收纳演示面上的滚珠。滚珠收纳器由连接在一起的收纳盒501和演示盒502构成，收纳盒的左右两端能与用于支撑左转轴、右转轴的两个轴承座连接，收纳盒的盒口与演示面平齐，演示盒位于收纳盒的上方，演示盒的盒底为倾斜面，演示盒上朝向于演示面的壁板为活动挡板，向上拉动活动挡板，演示盒内的滚珠靠着自重依次滚出。

演示说明：

在图8、图9、图10和图11中进行了文字标注，这样为了能清楚地理解本发明的工作原理；高纬：指的是地球的高纬度，低纬：指的是地球的低纬度，V1：是指第一传送带的运动速度在三者中是最大的，V2：是指第二传送带的运动速度在三者属于中速，V3：是指第三传送带的运动速度在三者中是最小的，V：是指滚珠在演示面上的速度；

1)演示北半球：如图8所示，左传动轴上的左一传动齿轮与第一变速齿轮组中的差速齿轮啮合、左二传动齿轮与第二变速齿轮组中的差速齿轮啮合、左三传动齿轮与第三变速齿轮组中的差速齿轮啮合；驱动电机顺时针转动，左传动轴上的传动齿轮进行传动，使第一、第二及第三传送带通过各自的差速齿轮实现向右运动且第一、第二及第三传送带的运动速度依次递减；待三条传送带运动稳定后，位于第三传送带一旁的滚珠收纳器内的滚珠依次滚出，此时可发现滚珠在三条传送带形成的演示面上发生了向右偏的现象，随滚珠的数目逐渐增多，进而可观察到明显的逆时针漩涡状运动轨迹；

2)演示南半球：如图9所示，旋转底座中的旋转板水平旋转180度，使顺时针转动的驱动电机通过旋转角度呈逆时针转动，左传动轴上的传动齿轮进行传动，使第一、第二及第三传送带通过各自的差速齿轮实现向左运动且第一、第二及第三传送带的运动速度依次递减；待三条传送带运动稳定后，位于第三传送带一旁的滚珠收纳器内的滚珠依次滚出，此时可发现滚珠在三条传送带形成的演示面上发生了向左偏的现象，随滚珠的数目逐渐增多，进而可观察到明显的顺时针漩涡状运动轨迹；

3）演示赤道：拉动插销，使插销与左传动轴脱离，旋转旋转座，待右传动轴运动至相应位置后，松开插销，插销靠回位弹簧回位，同时，插销的插头与右传动轴卡接，从而锁止旋转座进行旋转；右传动轴上的右一传动齿轮与第一变速齿轮组中的同速齿轮啮合、右二传动齿轮与第二变速齿轮组中的同速齿轮啮合、右三传动齿轮与第三变速齿轮组中的同速齿轮啮合；如图10所示，驱动电机转动，右传动轴上的传动齿轮进行传动，第一、第二及第三传送带通过各自的同速齿轮实现向右或向左运动且第一、第二及第三传送带的运动速度相同；待三条传送带运动稳定后，其中一个滚珠收纳器内的滚珠依次滚出，此时可发现滚珠未发生明显偏转现象；

4）演示两极点：如图11所示，关闭驱动电机，整个装置处于静止状态，滚珠收纳器内的滚珠依次滚出，观察滚珠的滚动轨迹，可发现滚珠未出现明显偏转现象。

本说明书中未作详细说明之处，为本领域公知的技术。

Claims (1)

1.地球自转引起的水漩涡原理演示仪，其特征在于：包括旋转底座、演示器、变速器、驱动电机，演示器、驱动电机、变速器固定在旋转底座的顶面上，演示器的演示面上划分有三个直线运动区域，三个直线运动区域通过驱动电机、变速器实现同向而不同速度或同向而同速度的水平运动；演示器包括左转轴、右转轴、第一传送带、第二传送带、第三传送带、固定式滚筒、第一自转式滚筒、第二自转式滚筒，左转轴和右转轴通过轴承座固定在旋转底座的顶面上，第二传送带的左右两端分别通过固定式滚筒与左转轴和右转轴连接，第一传送带的左右两端分别通过第一自转式滚筒与左转轴和右转轴连接，第三传送带的左右两端分别通过第二自转式滚筒与左转轴和右转轴连接，第一传送带和第三传送带位于第二传送带的两侧处，第一传送带、第二传送带、第三传送带的带面合在一起形成一个完整的演示面；所述变速器包括旋转座、左传动轴、左一传动齿轮、左二传动齿轮、左三传动齿轮、右传动轴、右一传动齿轮、右二传动齿轮、右三传动齿轮、第一变速齿轮组、第二变速齿轮组、第三变速齿轮组及锁止器，左传动轴和右传动轴的两端通过两个旋转座固定在旋转底座的顶面上，左传动轴和右传动轴以旋转座的旋转中心线为轴对称设置，左传动轴和右传动轴能绕旋转座的旋转中心线作旋转运动，驱动电机通过齿轮组与左传动轴和右传动轴的一端连接，左传动轴和右传动轴通过齿轮组能相互朝相反方向旋转，左一传动齿轮、左二传动齿轮、左三传动齿轮固定在左传动轴上，右一传动齿轮、右二传动齿轮、右三传动齿轮固定在右传动轴上，第一变速齿轮组与右转轴固定连接，第二变速齿轮组与第一自转式滚筒的外端固定连接，第三变速齿轮组与第二自转式滚筒的外端固定连接，第二变速齿轮组和第三变速齿轮组与右转轴呈同轴线设置，左一传动齿轮或右一传动齿轮能与第一变速齿轮组中的差速齿轮或同速齿轮啮合，左二传动齿轮或右二传动齿轮能与第二变速齿轮组中的差速齿轮或同速齿轮啮合，左三传动齿轮或右三传动齿轮能与第三变速齿轮组中的差速齿轮或同速齿轮啮合，锁止器固定在旋转底座的顶面上，锁止器用于锁止旋转座；所述固定式滚筒是指用于滚动支撑传动带的滚筒与相应的转轴固定连接，滚筒能随转轴一起转动；所述第一自转式滚筒、第二自转式滚筒是指用于滚动支撑传动带的滚筒通过轴承与相应的转轴固定连接，滚筒能在转轴上自转；所述演示面的前后两侧处均设有滚珠收纳器，滚珠收纳器由连接在一起的收纳盒和演示盒构成，收纳盒的左右两端能与用于支撑左转轴、右转轴的两个轴承座连接，收纳盒的盒口与演示面平齐，演示盒位于收纳盒的上方，演示盒的盒底为倾斜面，演示盒上朝向于演示面的壁板为活动挡板。