CN1716341A - 一种水平往复运动的倒摆动力学特性演示实验仪 - Google Patents

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Abstract

一种水平往复运动的倒摆动力学特性演示实验仪本发明属物理演示实验仪器。涉及一种倒摆动力学特性演示实验仪。本发明受驱振动的演示实验仪主要直观地演示在变频电机驱动下的倒摆振子的摆动角度特性的时域图。将倒摆置于水平往复运动的小车平台上；小车一端有一刚性曲柄连杆与变频电机相连，通过电机转动产生周期性外力驱动系统，使它在光滑水平面上沿水平方向作往复直线运动，即构成一个简单的受迫振动系统。本仪器结构简单，演示混沌原理，效果良好。演示倒摆的非线性动力学特性，可以时时读取摆球的摆动角度，能够直观地从一个真实的物理系统(或其它系统)中观察到混沌运动的存在。

Description

一种水平往复运动的倒摆动力学特性演示实验仪
技术领域：
本发明专利属物理演示实验仪器．涉及一种倒摆动力学特性演示实验仪．
背景技术：
近年来，许多面向二十一世纪的大学物理教材中均把非线性理论纳入其中．许多院校的教师讲授这部分内容，通常采用计算机辅助手段展示系统运动的图象．缺少专业实验演示仪．作为教学内容改革的重点之一，需要设计一个简单的能呈现混沌运动现象的演示装置．
发明内容：
本发明专利的目的是提供一种周期性外力受驱动的水平往复运动的倒摆动力学特性演示实验仪演示倒摆的非线性动力学特性，从而揭示了此系统的倍周期分岔现象的运动特性．让大学本科生了解和认识什么是混沌及其特征等基本概念和理论．
本发明受驱振动的演示实验仪主要直观地演示在变频电机驱动下的倒摆振子的摆动角度特性的时域图．即将倒摆置于水平往复运动的小车平台上；小车一端有一刚性曲柄连杆与变频电机相连，通过电机转动产生周期性外力驱动系统，使它在光滑水平面上沿水平方向作往复直线运动，即构成一个简单的受迫振动系统。
本仪器结构简单，演示混沌原理，效果良好．演示倒摆的非线性动力学特性，可以时时读取摆球的摆动角度，能够直观地从一个真实的物理系统(或其它系统)中观察到混沌运动的存在．
通过控制箱的RS-232接口与PC计算机相连，在计算机上自主开“倒摆运动状态实时监控工具”软件在显示器上可观察到摆球的摆动曲线图。
附图说明：
图1为水平往复运动的倒摆动力学特性演示实验仪的结构示意图(正视图)
图2为水平往复运动的倒摆动力学特性演示实验仪的结构示意图(后视图)
图中1：1—摆球 2—摆杆 3—盘式弹簧 4—平板小车 5—曲柄连杆相连 6—变频电机 7—电机供电及信号电缆 8—控制箱 9-RS-232接口 10—数据线 11—驱动轮盘12—底板 13—平板小车的固定柱 14—零点调节手柄 15—中心轴杆 16—滑杆固定柱17—滑道 18—显示板 19 U型有机玻璃固定架
图2中：20—旋转编码盘 7—电机供电及信号电缆 9—RS-232接口 10—数据线 16—滑杆固定柱
下面结合附图对本发明加以进一步描述，本发明的结构、特点，本发明包括力学系统和测量系统：
力学系统的结构：用长约40cm，宽约20cm，厚约1cm的有机玻璃做小车的平板4．平板下安装四个有套管的立柱13，而底板12上有六个立柱16均匀地固定两平行滑杆即滑道17，小车平板4通过四个套管固定13在底板12上的两水平滑杆17上，套管上有油槽，小车4一端用一刚性曲柄连杆5与变频电机6相连，电机6以一定圆频率使驱动轮盘11转动，通过曲柄连杆5使小车4在水平光滑杆17上沿固定轨道做直线往复运动，即构成一个简单的受迫振动系统．
测量系统的结构：主要有可控制箱8；变频电机6(0～30V)；摆杆2和旋转编器20等。
1)用U型有机玻璃19将弹簧3和摆杆2固定在平板小车4上，弹簧3的一端固定在摆杆2上距中心轴15O点为A处，另一端固定在可调节的旋钮14上，通过旋钮14可改变摆杆2的初始位置(即调零)；摆杆2一端固定在中心轴15的中心点O处，另一端安装摆球1，在中间可分成两段，用约1cm长的金属套管以螺旋结构衔接固定，上半段可更换不同长度，起到改变摆长的作用，在平板上，摆后面垂直固定具有角度刻度的有机玻璃板18。
2)在实验过程中，当控制箱8通过电机供电及信号电缆7给电变频电机6供电，使用电机带动驱动轮盘11转动后使小车这个非线性系统沿水平方向往复运动，利用旋转编码器20接收元件采集数据(如图2所示)后通过数据线10送到控制箱8，再由控制箱通过RS-232接口9与PC计算机相连，在计算机上通过自主开“倒摆运动状态实时监控工具”软件显示器上可观察到摆球1摆动曲线图，另外软件在它所在的目录下自动保存了此数据的“*.txt”文件。

Claims (2)

1、一种水平往复运动的倒摆动力学特性演示实验仪，其特征是包括力学系统和测量系统，力学系统的结构：用小车的平板(4)下安装四个有套管的立柱(13)，底板(12)上有六个立柱(16)均匀地固定两平行滑杆即滑道(17)，小车平板(4)通过四个套管固定(13)在底板(12)上的两水平滑杆(17)上，套管上有油槽，小车(4)一端用一刚性曲柄连杆(5)与变频电机(6)相连，电机(6)以一定圆频率使驱动轮盘(11)转动，通过曲柄连杆(5)使小车(4)在水平光滑杆(17)上沿固定轨道做直线往复运动，即构成一个简单的受迫振动系统；
测量系统的结构：主要有可控制箱(8)；变频电机(6)；摆杆(2)和旋转编器(20)，用U型有机玻璃(19)将弹簧(3)和摆杆(2)固定在平板小车(4)上，弹簧(3)的一端固定在摆杆(2)上距中心轴(15)O点为A处，另一端固定在可调节的旋钮(14)上，通过旋钮(14)可改变摆杆(2)的初始位置，摆杆(2)一端固定在中心轴(15)的中心点O处，另一端按装摆球(1)，在中间可分成两段，用约1cm长的金属套管以螺旋结构衔接固定，上半段可更换不同长度，以达到改变摆长的作用，在平板上，摆后垂直固定具有角度刻度的有机玻璃板(18)。
2、按权利要求1的一种水平往复运动的倒摆动力学特性演示实验仪，其特征是利用旋转编码器(20)接收元件采集数据，后通过数据线(10)送到控制箱(8)，再由控制箱通过RS-232接口(9)与PC计算机相连。
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