CN111583775A - 日地月模行仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种日地月模行仪，它解决了现有技术存在运行不真实、与实际误差较大等问题，其特征在于：通过蜗轮蜗杆使中心转管和水平转杆作圆周运动，固定在中心管上的同步轮与转动的中心转管，通过同步轮和转杆将运动传递到水平转杆悬臂端顶部设置的驱动齿轮和中心轴之间，并保持中心轴和托板自转角速度为零，由驱动齿轮和中心轴之间的相对运动，通过齿轮传动装置分别带动内中心轴套管和外中心轴套管旋转，外中心轴套管带动月转杆和月球，内中心轴套管通过顶端锥齿轮和地球自转轴带动地球转动。具有结构合理、运行真实、形象直观、符合实际等优点，适合中小学生的教学演示。

Description

日地月模行仪

技术领域

本发明属于天体模拟运行演示领域，尤其涉及一种日地月模行仪。

背景技术

目前，市面上出售的普通地球仪只能静态地反应地球上各地理位置的特征，无法全面直观的动态表达地球绕太阳公转、自转及月球绕地球转动时的空间状态。因此一些天体演示仪应运而生，它们虽然解决了一些上述问题，但普遍不能保持地球自转赤道平面和公转黄道平面之间的夹角在空间的方向恒定，从而不能体现地球气候的季节性变化；地球公转周期、地球自转周期、月球公转周期之间的比例关系与实际情况差别较大，不能较准确地进行日期和时辰刻度划分，更没有潮汐时刻指示功能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构合理、运行真实、形象直观、符合实际的日地月模行仪。

本发明所采取的技术方案是：它是由底座、电机、太阳支撑管、太阳模型、地球自转轴、地球模型、日晷、月转杆、月亮模型和齿轮传动装置等部件构成，在太阳支撑管中部设置了水平转杆，其圆心端与套装在太阳支撑管下部的中心转管相连，悬臂端上方设置了地球自转装置和月亮绕地球公转装置。太阳支撑管固定安装在底座上，其下部设置的中心转管通过下方设置的蜗轮与设置在底座内的蜗杆相啮合，由设置在底座内的电机驱动，实现地球模型绕太阳公转。在水平转杆内两端分别设置了同步轮，同步轮Ⅰ固定安装在太阳支撑管上，悬臂端的同步轮Ⅱ固定安装在中心轴的下方，两端同步轮之间设有传输带，并在水平转杆悬臂端的上方设置了驱动齿轮，通过齿轮传动装置驱动地球自转装置和月亮绕地球公转装置，在底座上方设置了刻度示意盘Ⅰ。

进一步的，所述地球自转装置是由中心轴、内中心轴套管、锥齿轮、地球自转轴、地球模型安装块、地球模型和日晷等零部件构成，中心轴安装在水平转杆悬臂端的同步轮Ⅱ上，内中心轴套管套装在中心轴上，地球自转轴与太阳支撑杆之间呈23.45º夹角安装在中心轴顶部的地球模型安装块上，轴顶部安装地球模型，下部设置锥齿轮与内中心轴套管顶部设置的锥齿轮啮合，与地球模型同轴安装有日晷。所述月亮绕地球公转装置是由外中心轴套管、潮汐指针、月转杆、月亮模型和刻度示意盘Ⅱ构成，外中心轴套管套装在内中心轴套管上，顶部设置潮汐指针，月转杆固定安装在外中心轴套管上，月亮模型安装在月转杆顶端。刻度示意盘Ⅱ设置在月转杆和齿轮传动装置之间，与水平转杆固定在一起；在中心轴下部固定设置了安装齿轮传动装置的托板，所述齿轮传动装置的输入齿轮与水平转杆悬臂端顶部设置的驱动齿轮啮合，其两级输出齿轮分别与内中心轴套管底部设置的齿轮Ⅰ和外中心轴套管底部设置的齿轮Ⅱ相啮合。通过同步轮带（或链条）和水平转杆将运动传递到悬臂端的同步带轮（即中心轴）和水平转杆悬臂端顶部设置的驱动齿轮之间，并保持中心轴和托板自转角速度为零，进而保证中心轴顶端地球自转轴的倾斜方向在空间中保持不变。由驱动齿轮和中心轴之间的相对运动，通过齿轮传动装置，分别带动内外中心轴套管绕中心轴逆时针方向旋转。外中心轴套管带动月转杆和月球（模拟月球自转和绕地球公转），内中心轴套管通过顶端锥齿轮（保证地球自转轴倾角角度）和地球自转轴带动地球转动（模拟地球自转）。

进一步的，齿轮传动装置通过多级变速输出，驱动外中心轴套管转动，使地球公转圈数与月球公转圈数（均为恒星周期）比为1：13.36559，齿轮传动装置通过多级变速输出，驱动内中心轴套管转动，使地球公转圈数与地球自转圈数（均为恒星周期）比为1：365.2622。上述传动比例可保证在一个朔望月周期，地球将自转约29.53周，在一个恒星年周期，地球将自转约365.26周。

进一步的，刻度示意盘Ⅰ可指示日期、24节气、黄道12宫和28星宿等内容；刻度示意盘Ⅱ可指示月相、12时辰，结合潮汐指针可指示规律的半日潮、全日潮潮汐时刻。

进一步的，所述同步轮和传输带既可为同步带轮和轮带，也可采用链轮和链条。

进一步的，所述太阳模型为灯泡。

本发明的有益效果在于：由固定在中心管上的同步带轮I（或链轮）与转动的中心转管，通过同步轮带（或链条）和水平转杆将运动传递到悬臂端顶部的驱动齿轮和同步带轮II（即中心轴）之间，并保持中心轴和托板自转角速度为零，进而保证中心轴顶端地球自转轴的倾斜方向在空间中保持不变，即保证地球公转黄道平面和地球自转赤道平面之间夹角方向在空间中保持不变。由驱动齿轮和中心轴之间的相对运动，通过齿轮传动系统，分别带动内外中心轴套管；外中心轴套管带动月转杆和月球（模拟月球自转和绕地球公转）；内中心轴套管通过顶端锥齿轮（保证地球自转轴倾角角度）和地球自转轴带动地球转动（模拟地球自转），从而使模拟的太阳、地球、月球之间的运行关系更精确。由于地球自转赤道平面和公转黄道平面之间的夹角（23.45°）在空间的方向保持恒定，能更直观地体现地球气候的季节性变化；地球公转周期、地球自转周期、月球公转周期之间的比例关系更符合实际情况，若以地球自转周期为单位（日），地球公转周期和月球公转周期误差均小于0.01日；通过刻度盘可指示较规律的全日潮、半日潮潮汐时刻。此外还可形象地示意昼夜变化、12时辰（24小时）、月相变化、日食、月食、24节气、极昼极夜等现象，并可于地球公转周期内较准确地划分黄道12宫和28星宿区间，设置日晷不仅可以计时，也能直观展示我国古代计时技术，便于理解、加深印象。具有结构合理、运行真实、形象直观、符合实际等优点，尤其适合对中小学生的教学演示。

下面结合附图对本发明作进一步说明。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明齿轮传动装置结构示意图；

图3为本发明刻度示意盘Ⅰ平面图；

图4为本发明刻度示意盘Ⅱ平面图。

图中：1为底座，2为电机，3为蜗杆，4为蜗轮，5为刻度示意盘Ⅰ，6为中心转管，7为同步轮Ⅰ，8为太阳支撑管，9为太阳模型，10为水平转杆，11为传输带，12为同步轮Ⅱ，13为驱动齿轮，14为中心轴，15为齿轮传动装置，16为外中心轴套管，17为月转杆，18为月亮模型，19为潮汐指针，20为地球模型，21为地球自转轴，22为地球模型安装块，23为锥齿轮，24为内中心轴套管，25为刻度示意盘Ⅱ，26为托板，27为输入齿轮，28为齿轮Ⅰ，29为齿轮Ⅱ，30为日晷。

具体实施方式

如图1所示，日地月模行仪是由底座1、电机2、太阳支撑管8、太阳模型9、地球自转轴21、地球模型20、日晷30、月转杆17、月亮模型18和齿轮传动装置15等零部件构成，在太阳支撑管8中部设置了水平转杆10，其圆心端与套装在太阳支撑管8下部的中心转管6相连，悬臂端设置了地球自转装置和月亮绕地球公转装置；太阳支撑管8固定安装在底座1上，其下部设置的中心转管6通过下方设置的蜗轮4与设置在底座1内的蜗杆3相啮合，由设置在底座1内的电机2驱动，电机2的转速可通过档位开关进行选择，在20－60分钟内实现地球模型20绕太阳公转一圈。在水平转杆10内两端分别设置了同步轮，同步轮Ⅰ7固定安装在太阳支撑管8上，悬臂端的同步轮Ⅱ12固定安装在中心轴14的下方，两端同步轮之间设有传输带11，并在水平转杆悬臂端的上方设置了驱动齿轮13，通过齿轮传动装置15驱动地球自转装置和月亮绕地球公转装置，在底座1上方设置了刻度示意盘Ⅰ5。所述地球自转装置是由中心轴14、内中心轴套管24、锥齿轮23、地球自转轴21、地球模型安装块22、地球模型20和日晷30等零部件构成，中心轴14安装在水平转杆10悬臂端的同步轮Ⅱ12上，内中心轴套管24套装在中心轴14上，地球自转轴21与太阳支撑杆8之间呈23.45º夹角安装在中心轴14顶部的地球模型安装块22上，轴顶部安装地球模型20，下部设置锥齿轮23与内中心轴套管24顶部设置的锥齿轮啮合，与地球模型20同轴安装有日晷30。所述月亮绕地球公转装置是由外中心轴套管16、潮汐指针19、月转杆17、月亮模型18和刻度示意盘Ⅱ25等零部件构成，外中心轴套管16套装在内中心轴套管24上，顶部设置潮汐指针19，月转杆17固定安装在外中心轴套管16上，月亮模型18安装在月转杆17顶端。刻度示意盘Ⅱ25设置在月转杆17和齿轮传动装置15之间，与水平转杆10固定在一起；在中心轴14下部固定设置了安装齿轮传动装置15的托板26，所述齿轮传动装置15的输入齿轮27与水平转杆悬臂端顶部设置的驱动齿轮13啮合，其两级输出齿轮分别与内中心轴套管24底部设置的齿轮Ⅰ28和外中心轴套管16底部设置的齿轮Ⅱ29相啮合。齿轮传动装置15可通过多级变速输出，驱动外中心轴套管16转动，使地球公转圈数与月球公转圈数（均为恒星周期）比为1：13.36559，通过多级变速输出，驱动内中心轴套管24转动，使地球公转圈数与地球自转圈数（均为恒星周期）比为1：365.2622。刻度示意盘Ⅰ5可指示日期、24节气、黄道12宫和28星宿等内容，刻度示意盘Ⅱ25可指示月相、12时辰，结合潮汐指针19可指示规律的半日潮、全日潮潮汐时刻。齿轮转动装置如图2所示，具体多级传动数据如下表：

一级	二级	三级	四级	五级	六级	七级	八级	九级	十级	十一级
											80	45	50	54	53	40
37	27	29	27	27	73
80	45	50	54	53	40	48	50	50	49	80
											37	27	29	27	27	28	28	28	27	53	40

关于刻度盘说明：本发明水平转杆旋转平面平行于地球公转黄道平面，以太阳支撑管上方作为北黄极，从上方向下俯视，地球自转和绕日公转、月球自转和绕地公转均为逆时针方向，在此基础上进行刻度盘划分。

因地球公转周期并非地球自转周期的整数倍数，导致每年同一天同一时刻时地球与太阳的位置关系并不一致，也即是每年开始时刻处，地球与太阳的位置关系并不一致；本发明以冬至和夏至时刻线与地球自转轴倾角平面平行，确定24节气时刻和黄道12宫位置，以春分点为公历3月21日子时，二月按28天计，全年按365.26天划分刻度示意盘Ⅰ的日期刻度及28星宿位置以方便演示。

因月球公转周期并非地球自转周期的整数倍数，导致每月同一天同一时刻月球与地球的位置关系并不一致，也即是每月开始时刻处，地球与月球的位置关系并不一致；本发明以子时和午时时刻与太阳三点一线，确定12时辰刻度线，以朔日午时时刻线正对太阳，朔望月按29.53天计，划分刻度示意图盘Ⅱ的日期刻度以方便演示。

实施本发明时，以灯泡作为太阳模型9，手动调整各模型的初始状态：将水平转杆10（即地球模型）置于冬至日子时位置，月转杆17（即月球模型）置于朔日子时位置，地球上选取一点做上标记以便观察，将该点置于子时位置，将日晷旋转至与该点同经度位置并固定。打开电源，启动电机2和灯泡（太阳模型9），此时从上方俯视，水平转杆10、月转杆17、地球模型20将分别围绕各自的旋转轴逆时针旋转，且各自的旋转速度比例固定：地球每公转一周，月球将围绕地球旋转约13.37圈（此为恒星月圈数，朔望月圈数约为12.37），地球将自转约365.26圈。为便于观察，地球公转一周的时间可通过档位调节开关在20-60分钟内调节。在此过程中：每个白天，日晷晷针会在晷面上走过一个半圆，经历6个时辰，夏季时（地球由春分点向秋分点公转过程中），晷面上晷针的投影会在北面（上面），冬季时（地球由秋分点向春分点公转过程中），晷面上晷针的投影会在南面（下面），地球每自转一周，会依次经过12时辰（24小时），经历一次昼夜交替循环，月球每绕地球公转一周，月相会经历一次由缺到盈再到缺的循环，并会经历日食（当月球运行到地球和太阳之间，太阳、月球、地球三点一线的位置时）、月食（ 当月球运行到太阳、地球连线的延长线上时）各一次；因为地球上某一确定地点的规律的半日潮或全日潮时刻线与月转杆之间的夹角（高潮间隙）是固定的，只要将潮汐指针和月转杆之间的夹角调整到该角度，就可用潮汐指针指示该地点潮汐时刻；地球每公转一周，会依次经过24节气时刻、12宫和28宿范围，当地球运行至12宫中某宫所在的弧度范围内时，表示太阳在该段时间居于该宫；当地球运行至28宿中某宿所在的弧度范围内时，表示地球在该段时间运行于该宿所对应的黄道区间；在地球由冬至点往夏至点公转的过程中，由于地球自转轴倾角的关系，太阳在地球上的直射点将由南回归线逐渐往北半球移动，地球上北半球的日照时间也逐渐延长，地球北半球将经历由冬、经春、至夏的季节变化，南半球则相反，日照时间逐渐缩短，将经历由夏、经秋、至冬的季节变化，当地球公转至夏至点时，太阳直射点到达北回归线，此时，北半球一天中日照时间最长，南半球一天中日照时间最短；在地球由夏至点往冬至点公转的过程中，由于地球自转轴倾角的关系，太阳在地球上的直射点将由北回归线逐渐往南半球移动，地球上北半球的日照时间逐渐缩短，地球北半球将经历由夏、经秋、至冬的季节变化，南半球则相反，日照时间逐渐延长，将经历由冬、经春、至夏的季节变化，当地球公转至冬至点时，太阳直射点到达南回归线，此时，北半球一天中日照时间最短，南半球一天中日照时间最长。当地球处于冬至点附近时，因为由于地球自转轴倾角的关系，北极点附近每天24小时不能见到太阳升起，而南极点附近则24小时太阳不落山，分别形成极夜和极昼现象；当地球处于夏至点附近时，则刚好相反，北极点附近出现极昼，南极点附近出现极夜。本发明具有结构合理、运行真实、形象直观、符合实际等优点，尤其适合对中小学生的教学演示。

以上所述仅为本发明的具体实施例，但本发明的结构特征并不限于此，任何本领域的技术人员在本发明的领域内，所作的变化或修饰皆涵盖在本发明的专利范围内。

Claims (6)

1.一种日地月模行仪，它包括底座（1）、电机（2）、太阳支撑管（8）、太阳模型（9）、地球自转轴（21）、地球模型（20）、日晷（30）、月转杆（17）、月亮模型（18）和齿轮传动装置（15），其特征在于：在太阳支撑管（8）中部设置了水平转杆（10），其圆心端与套装在太阳支撑管（8）下部的中心转管（6）相连，悬臂端设置了地球自转装置和月亮绕地球公转装置；太阳支撑管（8）固定安装在底座（1）上，其下部设置的中心转管（6）通过下方设置的蜗轮（4）与设置在底座（1）内的蜗杆（3）相啮合，由设置在底座（1）内的电机（2）驱动，实现地球模型（20）绕太阳公转；在水平转杆（10）内两端分别设置了同步轮，同步轮Ⅰ（7）固定安装在太阳支撑管（8）上，悬臂端的同步轮Ⅱ（12）固定安装在中心轴（14）的下方，两端同步轮之间设有传输带（11），并在水平转杆悬臂端的上方设置了驱动齿轮（13），通过齿轮传动装置（15）驱动地球自转装置和月亮绕地球公转装置，在底座（1）上方设置了刻度示意盘Ⅰ（5）。

2.根据权利要求1所述的日地月模行仪，其特征在于：所述地球自转装置是由中心轴（14）、内中心轴套管（24）、锥齿轮（23）、地球自转轴（21）、地球模型安装块（22）、地球模块（20）和日晷（30）构成，中心轴（14）安装在水平转杆（10）悬臂端的同步轮Ⅱ（12）上，内中心轴套管（24）套装在中心轴（14）上，地球自转轴（21）与太阳支撑杆（8）之间呈23.45º夹角安装在中心轴（14）顶部的地球模型安装块（22）上，轴顶部安装地球模型（20），下部设置锥齿轮（23）与内中心轴套管（24）顶部设置的锥齿轮啮合，与地球模型同轴安装有日晷（30）；所述月亮绕地球公转装置是由外中心轴套管（16）、潮汐指针（19）、月转杆（17）、月亮模型（18）和刻度示意盘Ⅱ（25）构成，外中心轴套管（16）套装在内中心轴套管（24）上，顶部设置潮汐指针（19），月转杆（17）固定安装在外中心轴套管（16）上，月亮模型（18）安装在月转杆（17）顶端；刻度示意盘Ⅱ（25）设置在月转杆（17）和齿轮传动装置（15）之间，与水平转杆（10）固定在一起；在中心轴（14）下部固定设置安装齿轮传动装置（15）的托板（26），所述齿轮传动装置（15）的输入齿轮（27）与水平转杆悬臂端顶部设置的驱动齿轮（13）啮合，其两级输出齿轮分别与内中心轴套管（24）底部设置的齿轮Ⅰ（28）和外中心轴套管（16）底部设置的齿轮Ⅱ（29）相啮合。

3.根据权利要求1或2所述的日地月模行仪，其特征在于：齿轮传动装置（15）通过多级变速输出，驱动外中心轴套管（16）转动，使地球公转圈数与月球公转圈数比为1：13.36559，齿轮传动装置（15）通过多级变速输出，驱动内中心轴套管（24）转动，使地球公转圈数与地球自转圈数比为1：365.2622。

4.根据权利要求3所述的日地月模行仪，其特征在于：刻度示意盘Ⅰ（5）标记了日期、24节气、黄道12宫和28星宿，刻度示意盘Ⅱ（25）标记了月相、12时辰，结合潮汐指针（19）可指示规律的半日潮、全日潮潮汐时刻。

5.根据权利要求4所述的日地月模行仪，其特征在于：所述同步轮和传输带既可为同步带轮和轮带，也可采用链轮和链条。

6.根据权利要求5所述的日地月模行仪，其特征在于：所述太阳模型（9）为灯泡。

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