CN113391091A - 一种转动坐标系下自由落体实际加速度的测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种转动坐标系下自由落体实际加速度的测量装置及方法，本发明的试验装置主要包括：离心机、外箱、中置架、自由落体装置、影像记录装置等。本发明依托离心机，可对转动坐标系中不同高度处自由落体小球加速度进行监测，并通过影像记录系统采集小球在三维空间中的运动轨迹，通过人为控制转动坐标系参数，得到复杂受力情况下小球的运动方程。本发明解决了转动坐标系中自由落体运动小球的实际加速度测量问题，操作简单，试验结果准确，优势突出。通过本发明的实验装置可在室内开展转动坐标系下自由落体运动加速度的测量，提供研究用具以及测量用具。

Description

一种转动坐标系下自由落体实际加速度的测量装置及方法

技术领域

本发明属于转动坐标系中复杂受力情况下自由落体运动研究领域，涉及一种转动坐标系下自由落体实际加速度的测量装置及方法。

背景技术

在自由落体运动研究中，大多为基础的、简单的单坐标系下的自由落体运动，仅需简单的计算公式即可得出其受力状态及运动轨迹，但天体物理研究以及科研工作中，物体运动坐标系并非一成不变的，简单的自由落体运动计算方式无法满足科研需要。在单一坐标系中，自由落体运动通过确定初始速度方向以及加速度大小，即可通过牛顿定律计算得出物体的运动轨迹；但是在转动坐标系中，随着物体的运动，其加速度方向和速度大小均与物体所处位置有关，参考系改变导致自由落体运动变得复杂。地球就是一个庞大的转动坐标系，在转动坐标系中的自由落体运动，除了受到万有引力的作用，还受到转动坐标系对运动物体的摩擦力，这会导致旋转过程中运动的物体，其加速度、加速度方向、速度方向均随着物体位置的改变而不停变化，以至于其运动变得复杂难明。

而现有的实验仪器中，转动坐标系下的自由落体运动尚难以实现，用于学术研究的试验仪器还需要进一步开发。

发明内容

本发明针对转动坐标系下自由落体运动实际加速度难以计算及测量等问题，并且科学研究过程中缺乏试验设备、教学用具不足的情况下，提出了一种转动坐标系下自由落体实际加速度的测量装置及方法。本发明依托离心机建立转动坐标系，通过自由落体装置实现多个不同高度处小球的自由落体运动对比，通过影像记录系统对小球运动轨迹进行记录分析，通过注水/注油等方式改变自由落体过程中受到的阻力。具有适用性广泛、试验结果明晰、试验流程简单等诸多优点，解决了转动坐标系中自由落体运动实际加速度难以测量的问题。

本发明采取以下技术方案：

一种转动坐标系下自由落体实际加速度的测量装置，包括离心机、离心室、以及设于离心室内的外箱和影像记录装置，所述外箱内设有中置架和自由落体装置，所述的自由落体装置通过中置架固定于外箱内；所述自由落体装置与中置架之间的角度可调；所述的中置架高度及其与外箱底部之间的角度可调；所述的离心机用于提供转动坐标系；所述的自由落体装置用于发射小钢球，所述的影像记录装置用于记录小钢球在转动坐标系下的运动；

所述的自由落体装置由横梁以及若干自由落体单元组成；所述横梁用于固定第一个自由落体单元，第一个自由落体单元用于固定第二个自由落体单元，依次类推直至固定所有自由落体单元；所述自由落体单元包括加速管、挡板、连接孔、连接杆和紧固螺栓组成；各自由落体单元之间通过连接孔、连接杆相连，并通过紧固螺栓固定，各自由落体单元的高度可调节；所有加速管的方向相互平行；所述挡板位于加速管上端，所述小钢球置于挡板上，抽出挡板可同时发射多个小钢球，所述小钢球从加速管顶部入口运动至其底部出口时被加速，最终抛出后开始自由落体运动。

上述技术方案中，进一步地，所述挡板的位置由步进电机控制变化。

进一步地，所述的中置架底端与外箱底部铰接，通过两个不同方向上的液压杆一改变中置架的竖直方向倾角；所述中置架上端与自由落体装置铰接，通过液压杆二调整自由落体装置的角度，进而改变自由落体单元的角度，改变小钢球的初速度方向及大小。

进一步地，所述的外箱顶部设有注水孔和恒压孔，通过注水孔可对外箱注满液体，通过恒压孔对外箱内部加压，从而模拟自由落体运动过程中的摩阻力。

进一步地，所述外箱的侧壁材质为钢化玻璃，所述的影像记录装置通过外箱侧壁对小钢球的运动进行拍摄记录。

更进一步地，所述外箱的侧壁上贴有刻度标尺，所述的影像记录装置包括两台摄像方向相互垂直的高速摄影机，两台高速摄影机分别从两个方向对小钢球的运动进行记录，即可得到小钢球的三维运动轨迹。

本发明还提供一种转动坐标系下自由落体实际加速度的测量方法，该方法基于上述装置实现，基于离心机建立转动坐标系，小钢球通过自由落体装置于不同旋转半径处进行自由落体运动，同时小钢球的运动轨迹被高速摄影机采集，处理计算出小钢球在旋转坐标系下的运动方程。

本发明中，依托离心机模拟转动坐标系，通过控制离心机的转速改变转动坐标系参数以及物体自由落体中的向心加速度。通过中置架及与之相连的液压杆控制自由落体装置中各自由落体单元的倾角，实现对自由落体运动过程中初速度大小及方向的控制，并通过步进电机改变挡板位置来控制小球的落体时间，通过高速摄影机记录小球的运动轨迹，通过刻度标尺观察小球运动轨迹，再通过数据处理计算得出小球在三维空间上的运动方程。所述的加速管可更换为长度不同尺寸相同的其他加速管。

本发明的优点在于：

本发明采用离心机模拟了高角速度、高线速度的转动坐标参考系，弥补了高速转动坐标系的空白；通过中置架、液压杆、连接杆、连接孔、紧固螺栓等改变自由落体单元中加速管的角度和高度，可实现物体自由落体运动初速度大小及不同旋转半径高度的任意调节；通过2台高速摄影机对自由落体运动过程进行记录，可精准计算出自由落体过程中的位移时间曲线，从而可得到其实际加速度；外箱上设有注水孔和恒压孔，可实现复杂阻力条件下的自由落体运动研究。

附图说明

图1是试验装置安装示意图；

图2是外箱内具体结构示意图；

图3是中置架细部结构示意图；

图4是自由落体装置结构示意图；

图5是自由落体单元结构示意图，5(a)为发射小球前，5(b)为发射小球过程中；

图6是影像记录系统俯视图；

图7是自由落体过程示意图1；

图8是自由落体过程示意图2；

其中，1、离心机，2、离心室，3、外箱，4、中置架，5、自由落体装置，6、影像记录装置，7、注水孔，8、恒压孔，9、液压杆1，10、液压杆2，11、自由落体单元，12、小钢球，13、步进电机，14、挡板，15、连接孔，16、连接杆，17、紧固螺栓，18、横梁，19、刻度标尺，20、高速摄影机。

具体实施方式

如图1为本发明的转动坐标系下自由落体实际加速度的测量装置，包括离心机1、离心室2、以及设于离心室2内的外箱3和影像记录装置6，所述外箱3内设有中置架4和自由落体装置5，所述的自由落体装置5通过中置架4固定于外箱3内；所述自由落体装置5与中置架4之间的角度可调；所述的中置架4高度及其与外箱3底部之间的角度可调；所述的离心机1用于提供转动坐标系；所述的自由落体装置5用于发射小钢球12，所述的影像记录装置6用于记录小钢球12在转动坐标系下的运动；

所述的自由落体装置5由横梁18以及若干自由落体单元11组成；所述横梁18用于固定第一个自由落体单元，第一个自由落体单元用于固定第二个自由落体单元，依次类推直至固定所有自由落体单元11；所述自由落体单元11包括加速管、挡板14、连接孔15、连接杆16和紧固螺栓17组成；各自由落体单元11之间通过连接孔15、连接杆16相连，并通过紧固螺栓17固定，各自由落体单元11的高度可调节；所有加速管的方向相互平行；所述挡板14位于加速管上端，所述小钢球12置于挡板14上，抽出挡板14可同时发射多个小钢球12，所述小钢球12从加速管顶部入口运动至其底部出口时被加速，最终抛出后开始自由落体运动。

所述挡板14的位置由步进电机13控制变化。

所述的中置架4底端与外箱3底部铰接，通过两个不同方向上的液压杆一9改变中置架4的竖直方向倾角；所述中置架4上端与自由落体装置5铰接，通过液压杆二10调整自由落体装置5的角度，进而改变自由落体单元11的角度，改变小钢球12的初速度方向及大小。

所述的外箱3顶部设有注水孔7和恒压孔8，通过注水孔7可对外箱3注满水或油等液体，通过恒压孔8对外箱3内部加压，从而模拟自由落体运动过程中的摩阻力。

所述外箱3的侧壁材质为钢化玻璃，所述的影像记录装置6通过外箱3侧壁对小钢球12的运动进行拍摄记录。

所述外箱3的侧壁上贴有刻度标尺19，所述的影像记录装置6包括两台摄像方向相互垂直的高速摄影机20，两台高速摄影机20分别从两个方向对小钢球12的运动进行记录，即可得到小钢球12的三维运动轨迹。

一种转动坐标系下自由落体实际加速度的测量方法，基于上述装置实现，基于离心机1建立转动坐标系，小钢球12通过自由落体装置5于不同旋转半径处进行自由落体运动，同时小钢球12的运动轨迹被高速摄影机20采集，处理计算出小钢球12在旋转坐标系下的运动方程。

本实施例中，在外箱3的前方以及右侧均设有一台高速摄影机20，在外箱3的后方及左侧贴有刻度标尺19，可得到小钢球12的三维运动轨迹。

具体试验流程和操作步骤如下：

步骤1：根据试验设计方案，将一定数量的自由落体单元11相连接，并固定至设计旋转半径方向高度。

步骤2：调整三个液压杆的角度，使自由落体单元11的位置能够使小钢球12在开始自由落体运动时能达到设定的初速度方向。如图5(a),开启步进电机13，将挡板14归位于加速管上方，将小钢球12放置于挡板14上.

步骤3：根据试验设计要求，通过注水孔7对外箱3内部注水注油，通过恒压孔8对外箱3内部加压，模拟自由落体运动中的阻力。

步骤4：打开影像记录系统6，对研究对象进行拍摄。

步骤5：将外箱3放置于离心室2上，开启离心机1，使之达到试验设计值；

步骤6：如图5(b),开启步进电机13，小钢球12在离心机1的离心力作用下向下运动，通过加速管时加速至试验设计初速度值以及试验设计自由落体初速度角度，下落过程中高速摄影机20拍摄记录下其运动轨迹。

步骤7：保存数据，关闭并清理试验仪器。对得到的数据进行分析处理。

Claims (7)

1.一种转动坐标系下自由落体实际加速度的测量装置，其特征在于，包括离心机(1)、离心室(2)、以及设于离心室(2)内的外箱(3)和影像记录装置(6)，所述外箱(3)内设有中置架(4)和自由落体装置(5)，所述的自由落体装置(5)通过中置架(4)固定于外箱(3)内；所述自由落体装置(5)与中置架(4)之间的角度可调；所述的中置架(4)高度及其与外箱(3)底部之间的角度可调；所述的离心机(1)用于提供转动坐标系；所述的自由落体装置(5)用于发射小钢球(12)，所述的影像记录装置(6)用于记录小钢球(12)在转动坐标系下的运动；

所述的自由落体装置(5)由横梁(18)以及若干自由落体单元(11)组成；所述横梁(18)用于固定第一个自由落体单元，第一个自由落体单元用于固定第二个自由落体单元，依次类推直至固定所有自由落体单元(11)；所述自由落体单元(11)包括加速管、挡板(14)、连接孔(15)、连接杆(16)和紧固螺栓(17)组成；各自由落体单元(11)之间通过连接孔(15)、连接杆(16)相连，并通过紧固螺栓(17)固定，各自由落体单元(11)的高度可调节；所有加速管的方向相互平行；所述挡板(14)位于加速管上端，所述小钢球(12)置于挡板(14)上，抽出挡板(14)可同时发射多个小钢球(12)，所述小钢球(12)从加速管顶部入口运动至其底部出口时被加速，最终抛出后开始自由落体运动。

2.根据权利要求1所述的转动坐标系下自由落体实际加速度的测量装置，其特征在于，所述挡板(14)的位置由步进电机(13)控制变化。

3.根据权利要求1所述的转动坐标系下自由落体实际加速度的测量装置，其特征在于，所述的中置架(4)底端与外箱(3)底部铰接，通过两个不同方向上的液压杆一(9)改变中置架(4)的竖直方向倾角；所述中置架(4)上端与自由落体装置(5)铰接，通过液压杆二(10)调整自由落体装置(5)的角度。

4.根据权利要求1所述的转动坐标系下自由落体实际加速度的测量装置，其特征在于，所述的外箱(3)顶部设有注水孔(7)和恒压孔(8)，通过注水孔(7)可对外箱(3)注满液体，通过恒压孔(8)对外箱(3)内部加压，从而模拟自由落体运动过程中的摩阻力。

5.根据权利要求1所述的转动坐标系下自由落体实际加速度的测量装置，其特征在于，所述外箱(3)的侧壁材质为钢化玻璃，所述的影像记录装置(6)通过外箱(3)侧壁对小钢球(12)的运动进行拍摄记录。

6.根据权利要求5所述的转动坐标系下自由落体实际加速度的测量装置，其特征在于，所述外箱(3)的侧壁上贴有刻度标尺(19)，所述的影像记录装置(6)包括两台摄像方向相互垂直的高速摄影机(20)，两台高速摄影机(20)分别从两个方向对小钢球(12)的运动进行记录，即可得到小钢球(12)的三维运动轨迹。

7.一种转动坐标系下自由落体实际加速度的测量方法，其特征在于，基于权利要求1-6任一项所述的装置实现，基于离心机(1)建立转动坐标系，小钢球(12)通过自由落体装置(5)于不同旋转半径处进行自由落体运动，同时小钢球(12)的运动轨迹被高速摄影机(20)采集，处理计算出小钢球(12)在旋转坐标系下的运动方程。

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