CN110415582B - 折叠式拓展三线空间的三线摆 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种折叠式拓展三线空间的三线摆，包括底座、固定于所述底座上的立杆、固定于所述立杆上端的横杆、上盘、下盘及将所述上盘与所述下盘连接的三根悬线，所述下盘外周面上均布设置有三个限位槽，所述限位槽内转动安装有折叠杆，所述折叠杆的内端与所述下盘铰接，所述折叠杆的外端延伸至所述限位槽外且与所述悬线的下端固定连接；本发明结构简单、操作方便、可以通过调节悬线距离上盘或者下盘中心的距离来改变由三根悬线确定的空间范围，从而适用不同尺寸待测刚体，可有效减小三线摆的体积以及占用空间，从而降低成本，且可以准确验证刚体转动惯量垂直轴定理。

Description

折叠式拓展三线空间的三线摆

技术领域

本发明属于力学实验仪器技术领域，尤其涉及一种折叠式拓展三线空间的三线摆。

背景技术

三线摆是大学物理试验中用于测量刚体转动惯量常用的力学实验仪器，包括支架、上盘、下盘、以及设于上盘和下盘之间的三根悬线，其中下盘用来放置待测刚体，利用放置待测刚体前后三线摆转动周期和质量的变化来测量待测物体的转动惯量。

三线摆上待测刚体的大小是由三根悬线所确定的空间范围限定的，目前现有技术中的三线摆悬线的三个固定点到下盘中心的距离是固定的，所以待测刚体的最大尺寸也是固定的，因此当待测刚体的尺寸超出三根悬线所确定的空间范围时，会与悬线之间发生干涉，因此无法进行使用与测量，造成试验无法进行；当然也可以通过把三线摆设计的大一些来解决以上问题，但是这样会造成三线摆的体积增大、占用空间增大、成本增高的问题。

此外，目前大学物理试验中，一般都做刚体转动惯量的平行轴定理的验证试验，但是却不做刚体转动惯量的垂直轴定理的验证试验，因此，也亟需一种操作方便且验证试验准确的方便验证刚体转动惯量垂直轴定理的三线摆试验仪器。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种结构简单、操作方便、悬线可调的折叠式拓展三线空间的三线摆，通过调节悬线来改变由三根悬线确定的空间范围，从而适用不同尺寸待测刚体，可有效减小三线摆的体积以及占用空间，从而降低成本，且可以准确验证刚体转动惯量垂直轴定理。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：折叠式拓展三线空间的三线摆，包括底座、固定于所述底座上的立杆、固定于所述立杆上端的横杆、上盘、下盘及将所述上盘与所述下盘连接的三根悬线，所述下盘外周面上均布设置有三个限位槽，所述限位槽内转动安装有折叠杆，所述折叠杆的内端与所述下盘铰接，所述折叠杆的外端延伸至所述限位槽外且与所述悬线的下端固定连接；

所述限位槽内设置有第一限位挡边和第二限位挡边，当所述折叠杆与所述第一限位挡边接触时，所述折叠杆的外端与所述下盘中心的距离最近，当所述折叠杆与所述第二限位挡边接触时，所述折叠杆的外端与所述下盘中心的距离最远。

作为优选的技术方案，所述横杆包括与所述立杆固定连接的固定滑轨，所述固定滑轨内滑动安装有活动滑轨，所述上盘固定安装在所述活动滑轨的外端。

作为优选的技术方案，所述上盘的外周面上均布设置有三个安装孔，三个所述安装孔的中心线均与所述上盘的轴心线上的一点，三个所述安装孔内分别对应滑动安装有伸缩杆，所述悬线的上端固定连接在所述伸缩杆的外端。

作为优选的技术方案，还包括放置到所述下盘上的垂直轴定理测试件，所述垂直轴定理测试件为外周设置有两个相邻并相互垂直的平面的薄板状物体，所述薄板状物体由铁磁性材料组成；所述下盘的上表面中心处设置有用于吸附所述垂直轴定理测试件的磁铁，所述上盘、所述横杆、所述底座、所述立杆及所述悬线均由非铁磁性材料组成。

作为优选的技术方案，所述垂直轴定理测试件的两个表面分别都设置有第一标志线和第二标志线，所述第一标志线与所述垂直轴定理测试件的其中一平面垂直且延长线穿过质心在所述垂直轴定理测试件表面上的投影点，所述第二标志线与所述垂直轴定理测试件的另一平面垂直且延长线穿过质心在所述垂直轴定理测试件表面上的投影点；所述下盘的上表面对应设置有与所述第一标志线或所述第二标志线配合的十字标志线，所述第一标志线或所述第二标志线分别与所述十字标志线的其中一边对应时，所述垂直轴定理测试件的质心和所述下盘的质心在水平面上的投影重合。

作为优选的技术方案，所述垂直轴定理测试件的表面设置有用于定位所述垂直轴定理测试件的质心的镂空定位标志。

由于采用了上述技术方案，折叠式拓展三线空间的三线摆，包括底座、固定于所述底座上的立杆、固定于所述立杆上端的横杆、上盘、下盘及将所述上盘与所述下盘连接的三根悬线，所述下盘外周面上均布设置有三个限位槽，所述限位槽内转动安装有折叠杆，所述折叠杆的内端与所述下盘铰接，所述折叠杆的外端延伸至所述限位槽外且与所述悬线的下端固定连接；

所述限位槽内设置有第一限位挡边和第二限位挡边，当所述折叠杆与所述第一限位挡边接触时，所述折叠杆的外端与所述下盘中心的距离最近，当所述折叠杆与所述第二限位挡边接触时，所述折叠杆的外端与所述下盘中心的距离最远；本发明的有益效果是：

一、所述折叠杆可以在所述限位槽内转动，实现折叠状态与伸出状态的转换，与现有技术中不具有调节功能相比，本实施例三根悬线形成的空间可调，可适用不同尺寸的待测刚体，可有效减小三线摆的体积以及占用空间，从而降低成本，增加使用的方便性；

二、通过所述第一限位挡边与所述第二限位挡边的设置，无需设置定位装置即可实现定位效果，使得结构更加简单，操作更加方便；

三、所述活动滑轨可以沿着所述固定滑轨滑动，当所述折叠杆的伸出长度较长时，同时调节所述活动滑轨，使得所述活动滑轨相对于所述固定滑轨向外运动，即使得所述上盘向着远离所述立杆方向运动，这样，所述下盘也被带动远离所述立杆运动，可以有效避免所述折叠杆及被测刚体与所述立杆之间造成干涉。

四、通过所述折叠杆与所述限位槽、所述伸缩杆与所述安装孔以及所述固定滑轨与所述活动滑轨的组合设计，可以更进一步的扩大三根悬线所形成的空间，可以使得本发明适用于更多不同尺寸的待测刚体，提高试验设备使用的通用性。

五、由于所述垂直轴定理测试件为铁磁性材料，可以与所述磁铁之间吸附，实现所述垂直轴定理测试件的在下盘上能稳定的放置，同时第一标志线或第二标志线与所述十字标志线对应配合设置，使得所述垂直轴定理测试件具有支撑与定位的作用，一方面用于支撑与安装所述垂直轴定理测试件，另一方面安装时与所述下盘之间进行定位，使得试验过程中，操作更加简单方便，且验证试验更加准确；

六、本发明结构简单、操作方便、可以通过调节悬线距离上盘或者下盘中心的距离来改变由三根悬线确定的空间范围，从而适用不同尺寸待测刚体，可有效减小三线摆的体积以及占用空间，从而降低成本，且可以准确验证刚体转动惯量垂直轴定理。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：

图1是本发明实施例的结构示意图；

图2是本发明实施例的主视图；

图3是本发明实施例的侧视图；

图4是本发明实施例的俯视图；

图5是本发明实施例下盘的俯视图；

图6是本发明实施例折叠杆折叠状态的结构示意图；

图7是本发明实施例折叠杆伸出状态的结构示意图；

图8是本发明实施例伸缩杆在安装孔内伸出前的结构示意图；

图9是本发明实施例伸缩杆在安装孔内伸出后的结构示意图；

图10是本发明实施例垂直轴定理测试件的结构示意图；

图中：1-底座；2-立杆；3-横杆；31-固定滑轨；32-活动滑轨；4-上盘；41-安装孔；42-伸缩杆；5-下盘；51-限位槽；52-折叠杆；53-第一限位挡边；54-第二限位挡边；55-磁铁；56-十字标志线；6-悬线；7-垂直轴定理测试件；71-第一标志线；72-第二标志线；73-镂空定位标志；74-平面。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，进一步阐述本发明。在下面的详细描述中，只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例。毋庸置疑，本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，附图和描述在本质上是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。

实施例一：

如图1至图4所示，折叠式拓展三线空间的三线摆，包括底座1、固定于所述底座1上的立杆2、固定于所述立杆2上端的横杆3、上盘4、下盘5及将所述上盘4与所述下盘5连接的三根悬线6，所述底座1具有支撑作用，作为本实施例的安装基体，所述上盘4与所述下盘5平行对应设置，所述上盘4可相对于所述横杆3转动，用于带动所述下盘5转动，其中，三根悬线6均匀布置，将所述上盘4与所述下盘5连接，当所述上盘4转动时，通过悬线6带动所述下盘5转动，实现待测刚体的转动，用于实现转动惯量的测量试验；所述下盘5外周面上均布设置有三个限位槽51，所述限位槽51内转动安装有折叠杆52，所述折叠杆52的内端与所述下盘5铰接，所述折叠杆52的外端延伸至所述限位槽51外且与所述悬线6的下端固定连接；所述限位槽51内设置有第一限位挡边53和第二限位挡边54，所述折叠杆52可以在所述第一限位挡边53与所述第二限位挡边54之间围成的区域内转动，所述第一限位挡边53的长度大于所述第二限位挡边54的长度；由于所述折叠杆52可以在所述限位槽51内转动，因此，使用时，可以手动调节所述折叠杆52相对于所述下盘5外周面的伸出位置，当所述折叠杆52与所述第一限位挡边53接触时，所述折叠杆52的外端与所述下盘5中心的距离最近，此时处于折叠状态，参见图6，这样，三根悬线6形成的空间较小，可以用于测量尺寸较小的测试件，当所述折叠杆52与所述第二限位挡边54接触时，所述折叠杆52的外端与所述下盘5中心的距离最远，此时处于伸出状态，参见图7，这样，三根悬线6形成的空间较大，可以用于测量尺寸较大的测试件。

所述折叠杆52从所述第一限位挡边53转换到所述第二限位挡边54，或者执行相反的过程时，所述折叠杆52内端的铰接点与外端悬线的固定点所确定的直线，会扫过所述下盘5的轴心线，这样所述折叠杆52在靠近所述第一限位挡边53或第二限位挡边54时，来自所述悬线6拉力的分力，都会使折叠杆52更靠近所述限位挡边，增进了稳定程度。

所述折叠杆52可以在所述限位槽51内转动，实现折叠状态与伸出状态的转换，与现有技术中不具有调节功能相比，本实施例三根悬线6形成的空间可调，可适用不同尺寸的待测刚体，可有效减小三线摆的体积以及占用空间，从而降低成本，增加使用的方便性。

所述折叠杆52通过销轴可拆卸连接在所述下盘5的所述限位槽51内，可以方便所述折叠杆52的更换与维修，当所述折叠杆52的长度仍然不满足要求时，通过拆卸可以更换长度较长的折叠杆52，用于满足使用需求。

当所述折叠杆52处于伸出状态时，由于伸出长度较长，为了防止所述折叠杆52与所述立杆2之间造成干涉，因此进一步的对所述横杆3进行设计。参见图4，所述横杆3包括与所述立杆2固定连接的固定滑轨31，所述固定滑轨31内滑动安装有活动滑轨32，所述上盘4固定安装在所述活动滑轨32的外端，所述活动滑轨32可以沿着所述固定滑轨31滑动，当所述折叠杆52的伸出长度较长时，同时调节所述活动滑轨32，使得所述活动滑轨32相对于所述固定滑轨31向外运动，即使得所述上盘4向着远离所述立杆2方向运动，这样，所述下盘5也被带动远离所述立杆2运动，可以有效避免所述折叠杆52及被测刚体与所述立杆2之间造成干涉。

为进一步的扩大悬线6所形成的空间，因此，对所述上盘4进行设计。在所述上盘4的外周面上均布设置有三个安装孔41，三个所述安装孔41的中心线均与所述上盘4的轴心线上的一点相交，三个所述安装孔41内分别对应滑动安装有伸缩杆42，所述悬线6的上端固定连接在所述伸缩杆42的外端。当所述悬线6的下端位置调节完成后，继续对所述悬线6的上端进行调节,实现悬线6的上端与下端对应调节，可以有效进一步的扩大三根悬线6所形成的空间。由于所述伸缩杆42可以在所述安装孔41内滑动，因此，使用时，可以手动调节所述伸缩杆42相对于所述上盘4外周面的伸出位置，当所述伸缩杆42相对于所述上盘4外周面的伸出长度较短时，参见图8，这样，三根悬线6形成的空间较小，可以用于测量尺寸较小的测试件，当所述伸缩杆42相对于所述上盘4外周面的伸出长度较长时，参见图9，这样，三根悬线6形成的空间较大，可以用于测量尺寸较大的测试件，调节过程中，要保证三个所述伸缩杆42的伸出长度是相同的，保证所述上盘4与所述下盘5之间的相对位置，用于保证测量的准确性。

使用时，可以根据需要单独调整所述下盘5的所述折叠杆52的状态，也可以根据实际需要进一步对应调整所述上盘4的所述伸缩杆42的伸出位置以及所述活动滑轨32的伸长与缩短，通过所述折叠杆52与所述限位槽51、所述伸缩杆42与所述安装孔41以及所述固定滑轨31与所述活动滑轨32的组合设计，可以更进一步的扩大三根悬线6所形成的空间，可以使得本发明适用于更多不同尺寸的待测刚体，提高试验设备使用的通用性。

实施例二：

实施例二是在实施例一的基础上做出进一步的改进，因此，与实施例一相同的部分在此不再赘述。参见图10，三线摆还包括放置到所述下盘5上的垂直轴定理测试件7，所述垂直轴定理测试件7为外周设置有两个相邻并相互垂直的平面74的薄板状物体，所述平面74参见图10，所述薄板状物体由铁磁性材料组成，例如铁、镍等合金材料；所述下盘5的上表面中心处设置有用于吸附所述垂直轴定理测试件7的磁铁55，所述上盘4、所述横杆3、所述底座1、所述立杆2及所述悬线6均由非铁磁性材料组成，例如非金属材料或者铜等。在本实施例中，仅仅将所述薄板状物体设置为可以与磁铁55吸附的铁磁性材料，用于防止其他零件对所述薄板状物体进行干扰，影响试验测量准确性。

在本实施例中，为了能实现垂直轴定理的试验测定，理论上要求所述垂直轴定理测试件7不具有厚度，但是由于任何实际存在的刚体都是有厚度的，不可能有零厚度的刚体，而如果厚度过大，就不符合刚体转动惯量垂直轴定理的要求，因此本实施例中所述薄板状物体为厚度很薄的薄板，所述薄板状物体的厚度为2mm-10mm，一个平面的长度为100-150mm，另一个平面的长度为160mm-200mm；所述薄板状物体的外周具有两个相邻并相互垂直的平面74，两平面74的设置可以用于测量Jx和Jy，可以更加方便的将所述薄板状物体放置到所述下盘5上，使得试验过程简单方便。

所述垂直轴定理测试件7的两个表面分别都设置有第一标志线71和第二标志线72，所述第一标志线71与所述垂直轴定理测试件7的其中一平面垂直且延长线穿过质心在所述垂直轴定理测试件7表面上的投影点，所述第二标志线72与所述垂直轴定理测试件7的另一平面垂直且延长线穿过质心在所述垂直轴定理测试件7表面上的投影点；所述下盘5的上表面对应设置有与所述第一标志线71或所述第二标志线72配合的十字标志线56，当所述第一标志线71或所述第二标志线72分别与所述十字标志线56的其中一边对应时，所述垂直轴定理测试件7的质心和所述下盘5的质心在水平面上的投影重合。

在本实施例中，所述磁铁55是由点形分布的磁块组成的，也可以设置成矩形结构，所述磁铁55沿着所述十字标志线56设置，这样所述薄板状物体沿着所述十字标志线56安装时，所述薄板状物体的平面74可以尽可能更好的与所述磁铁接触，被所述磁铁55更好的吸附，保证安装与定位的准确性。

试验时，首先将所述垂直轴定理测试件7放置到所述下盘5上，放置过程中，将所述垂直轴定理测试件7的其中一平面对应放置在磁铁55上，被磁铁55吸附，实现所述垂直轴定理测试件7的安装，安装时，保证所述第一标志线71或所述第二标志线72分别与所述十字标志线56的其中一边对应，十字线的另一边对准所述垂直轴定理测试件7的厚度面的中间，这样可以保证所述垂直轴定理测试件7的质心和所述下盘5的质心在水平面上的投影重合，然后通过转动所述上盘4，使得所述下盘5、放置到所述下盘5上的所述垂直轴定理测试件7转动，从而来测定垂直轴定理测试件7的转动惯量；由于所述垂直轴定理测试件7为铁磁性材料，可以与所述磁铁55之间吸附，实现所述垂直轴定理测试件7的安装，同时第一标志线71或第二标志线72与所述十字标志线56对应配合设置，使得所述垂直轴定理测试件7具有支撑与定位的作用，一方面用于支撑与安装所述垂直轴定理测试件7，另一方面安装时与所述下盘5之间进行定位，使得试验过程中，操作更加简单方便，且验证试验更加准确。

所述垂直轴定理测试件7的表面设置有用于定位所述垂直轴定理测试件7的质心的镂空定位标志73。在本实施例中，所述镂空定位标志73为镂空的圆孔，当然也可以为其他具有方便标识质心的标志，例如在镂空圆孔或者异形孔的中心具有十字型交叉杆，十字型交叉杆的中心即为质心，此种方式也可以用于方便标识质心的位置。在水平放置所述垂直轴定理测试件7测量转动惯量时，将所述镂空定位标志73与所述十字标志线56对齐，即可以方便把所述垂直轴定理测试件7的质心对准所述下盘5的中心，使得试验过程更加简单方便。

垂直轴定理的验证试验方法：

垂直轴定理(也叫正交轴定理)是一个物理学定理，可以用来计算一片薄片的转动惯量。思考一个空间直角坐标系，其中两个坐标轴平行于此薄片；如果已知此薄片相对于这两个坐标轴的转动惯量，则垂直轴定理可以用来计算薄片相对于第三个坐标轴的转动惯量。对一薄片建立空间直角坐标系，使此薄片位于xoy平面上。令Jx、Jy、Jz分别为此薄片相对于x、y、z轴的转动惯量，则有Jz＝Jx+Jy。

验证垂直轴定理的实验步骤：

步骤一、先把垂直轴定理测试件7的一个平面放置到下盘5上，由磁铁55进行吸附，第一标志线71(或第二标志线72)与下盘5的十字标志线56的其中一边对齐，即垂直轴定理测试件7的质心与下盘5的中心对齐，这时旋转轴平行于垂直轴定理测试件7所在平面。

步骤二、测量垂直轴定理测试件7当前位置的转动惯量，这个转动惯量设为Jx。

步骤三、再把垂直轴定理测试件7的另一个平面放置到下盘5上，由磁铁55进行吸附，第二标志线72(或第一标志线71)与下盘5的十字标志线56对齐，即垂直轴定理测试件7的质心与下盘5的中心对齐，这时旋转轴平行于垂直轴定理测试件7所在平面。

步骤四、测量垂直轴定理测试件7当前位置的转动惯量，这个转动惯量设为Jy。

步骤五、再把垂直轴定理测试件7从下盘5上取下，然后把垂直轴定理测试件7平放在下盘5上，垂直轴定理测试件7的镂空定位标志73对准十字标志线56的中心，这时旋转轴垂直于垂直轴定理测试件7所在平面，然后测试当前垂直轴定理测试件7当前位置的转动惯量，这个转动惯量为Jz。

步骤六、最后比较Jz与Jx+Jy之间的数值，如果数据吻合较好，就可以判定垂直轴定理是正确的，垂直轴定理的验证过程完成。

本发明结构简单、操作方便、悬线6距离中心距离可调，改变测量空间通过调节悬线6来改变由三根悬线6确定的空间范围，从而适用不同尺寸待测刚体，可有效减小三线摆的体积以及占用空间，从而降低成本，且可以准确验证刚体转动惯量垂直轴定理。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.折叠式拓展三线空间的三线摆，包括底座、固定于所述底座上的立杆、固定于所述立杆上端的横杆、上盘、下盘及将所述上盘与所述下盘连接的三根悬线，其特征在于：所述下盘外周面上均布设置有三个限位槽，所述限位槽内转动安装有折叠杆，所述折叠杆的内端与所述下盘铰接，所述折叠杆的外端延伸至所述限位槽外且与所述悬线的下端固定连接；

所述限位槽内设置有第一限位挡边和第二限位挡边，当所述折叠杆与所述第一限位挡边接触时，所述折叠杆的外端与所述下盘中心的距离最近，当所述折叠杆与所述第二限位挡边接触时，所述折叠杆的外端与所述下盘中心的距离最远；垂直轴定理测试件的两个表面分别都设置有第一标志线和第二标志线，所述第一标志线与所述垂直轴定理测试件的其中一平面垂直且延长线穿过质心在所述垂直轴定理测试件表面上的投影点，所述第二标志线与所述垂直轴定理测试件的另一平面垂直且延长线穿过质心在所述垂直轴定理测试件表面上的投影点；所述下盘的上表面对应设置有与所述第一标志线或所述第二标志线配合的十字标志线，所述第一标志线或所述第二标志线分别与所述十字标志线的其中一边对应时，所述垂直轴定理测试件的质心和所述下盘的质心在水平面上的投影重合；所述下盘的上表面中心处设置有用于吸附所述垂直轴定理测试件的磁铁，所述磁铁是由点形分布的磁块组成的，所述磁铁沿着所述十字标志线设置。

2.如权利要求1所述的折叠式拓展三线空间的三线摆，其特征在于：所述横杆包括与所述立杆固定连接的固定滑轨，所述固定滑轨内滑动安装有活动滑轨，所述上盘固定安装在所述活动滑轨的外端。

3.如权利要求2所述的折叠式拓展三线空间的三线摆，其特征在于：所述上盘的外周面上均布设置有三个安装孔，三个所述安装孔的中心线均与所述上盘的轴心线上的一点相交，三个所述安装孔内分别对应滑动安装有伸缩杆，所述悬线的上端固定连接在所述伸缩杆的外端。

4.如权利要求1至3任一权利要求所述的折叠式拓展三线空间的三线摆，其特征在于：还包括放置到所述下盘上的垂直轴定理测试件，所述垂直轴定理测试件为外周设置有两个相邻并相互垂直的平面的薄板状物体，所述薄板状物体由铁磁性材料组成；所述上盘、所述横杆、所述底座、所述立杆及所述悬线均由非铁磁性材料组成。

5.如权利要求1所述的折叠式拓展三线空间的三线摆，其特征在于：所述垂直轴定理测试件的表面设置有用于定位所述垂直轴定理测试件的质心的镂空定位标志。