CN203982677U - 一种三心定理验证平台 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种三心定理验证平台，包括驱动机构、四连杆机构、第一外杆、第二外杆以及用于检测所述第一外杆和第二外杆是否同时到位的外杆同步到位检测装置，所述四连杆机构中有一杆为第一驱动杆，第一驱动杆由所述驱动机构进行驱动转动，第一外杆以及第二外杆分别连接在与第一驱动杆连接的两连杆上。本实用新型能让学生更好的理解和应用三心定理且能直观、生动的进行演示巧妙的通过第一外杆及第二外杆上的软磁金属球在O点处同时脱落，得出第一外杆及第二外杆同时到达O点，即三点恰好在同一直线上从而验证三心定理。

Description

一种三心定理验证平台

技术领域

本实用新型涉及一种教学仪器，特别涉及一种三心定理验证平台。

背景技术

三心定理是指三个彼此作平面平行运动的构件的三个瞬心必位于同一条直线上。

在学生学习机械原理的平面机构运动分析的部分的过程时，在现有的教学中，多是枯燥乏味的理论教学，缺少直观、生动的演示教具，学生们了解了三心定理的应用，但是很多学生对三心定理中平面运动的构件的扩张概念模糊，无法正确理解三心定理。

实用新型内容

针对现有技术中存在的技术问题，本实用新型的目的是：提供一种让学生更好的理解和应用三心定理且能直观、生动的进行演示的三心定理验证平台。

本实用新型的目的通过下述技术方案实现：一种三心定理验证平台，包括驱动机构、四连杆机构、第一外杆、第二外杆以及用于检测所述第一外杆和第二外杆是否同时到位的外杆同步到位检测装置，所述四连杆机构中有一杆为第一驱动杆，第一驱动杆由所述驱动机构进行驱动转动，第一外杆以及第二外杆分别连接在与第一驱动杆连接的两连杆上。

优选的，所述与第一驱动杆连接的两连杆其一为第二驱动杆，第二驱动杆与驱动机构连接。

优选的，所述外杆同步到位检测装置为两个瞬时释放机构，两瞬时释放机构分别设置在第一外杆以及第二外杆上，瞬时释放机构包括支架、排斥磁铁、吸引磁铁以及磁性金属件，排斥磁铁设置在支架上，吸引磁铁设置在第一外杆或第二外杆上，工作时，磁性金属件被吸住在吸引磁铁的下端面上，当吸引磁铁在排斥磁铁下面经过，此时，排斥磁铁和吸引磁铁相对的两端为相同的磁极。

优选的，所述磁性金属件为软磁金属球，支架对应两排斥磁铁位置分别设有两球滚动轨道，排斥磁铁设置在球滚动轨道上方，工作时，第一外杆或第二外杆从排斥磁铁和球滚动轨道间经过。

优选的，所述四连杆机构的四个连杆上均设有第一调整槽，第一外杆和第二外杆上均设有第二调整槽，第一调整槽与第二调整槽通过螺栓连接以将第一外杆和第二外杆与四连杆机构连接起来。

优选的，所述四连杆机构的四个连杆分别设置在不同的高度上，四个连杆间通过铰接轴铰接在一起。

优选的，所述驱动机构包括基座以及设置在基座上的电机、齿轮组与传动轴，齿轮组包括电机输出齿轮、联动齿轮、下传动齿轮、上传动齿轮以及驱动齿轮，电机输出齿轮连接在电机输出轴上，并且与联动齿轮相啮合，联动齿轮还与下传动齿轮相啮合，下传动齿轮和上传动齿轮通过所述传动轴连接，上传动齿轮与驱动齿轮啮合，第一驱动杆与第二驱动杆分别由驱动齿轮和联动齿轮驱动。

优选的，所述两球滚动轨道的末端处设有轨道磁铁。

一种三心定理验证方法，包括以下步骤：

一、校正：

(1)、球滚动轨道校准：找出待验证两连杆在水平面上投影的交点O点，将球滚动轨道绕基座旋转，并调节球滚动轨道到基座中心的距离，直到排斥磁铁与O点在水平面的投影重合；

(2)、校准第一外杆和第二外杆的位置：通过调整第一外杆和第二外杆的结合点以及其两杆之间的夹角，使得第一外杆和第二外杆带吸引磁铁的位置与O点重合；

二、安装软磁金属球，启动电机，使得第一外杆和第二外杆带吸引磁铁的位置不与O点重合，将软磁金属球安装在第一外杆和第二外杆的吸引磁铁上；

三、进行实验：再次启动电机，使四连杆机构开始转动并观察，第一外杆带吸引磁铁的位置与O点重合时，第二外杆带吸引磁铁的位置与O点也重合，当吸引磁铁与O点重合时，两软磁金属球同时被释放并下落到球滚动轨道。

优选的，步骤三中，所述两软磁金属球下落到球滚动轨道后，分别在两球滚动轨道上平齐向末端滚动，并同时到达球滚动轨道的末端，两软磁金属球到达球滚动轨道的末端时受轨道磁铁吸引加速靠近同时发出碰撞声。

本实用新型相对于现有技术具有如下的优点及效果：

1、本实用新型能让学生更好的理解和应用三心定理且能直观、生动的进行演示，巧妙的通过第一外杆及第二外杆上的软磁金属球在O点处同时脱落，得出第一外杆及第二外杆同时到达O点，即三点恰好在同一直线上从而验证三心定理。

2、本实用新型结构简单、易于制造并且巧妙的通过软磁金属球的速度侧面反映出连杆在任意点的瞬时速度，结构简单轻巧，同时可以改变角速度比和杆长，全面验证三心定理，有效地解决了对于三心定理的演示及其说明的问题。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。

图2是图1的主视图。

图3是图1的仰视图。

图4是图1的另一视角的结构示意图。

图5是本实用新型的吸引磁铁行至排斥磁铁下方时的示意图。

图6是本实用新型的两软磁金属球脱落后在两球滚动轨道上滚动的示意图。

图7是本实用新型的排斥磁铁、吸引磁铁和软磁金属球磁极设置及排布方式示意图。

图8是本实用新型的四连杆机构与第一外杆及第二外杆连接示意图。

图9是图8的原理图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。

实施例一：

如图1-9所示，一种三心定理验证平台，包括驱动机构、四连杆机构1、第一外杆2、第二外杆3以及用于检测所述第一外杆2和第二外杆3是否同时到位的外杆同步到位检测装置，所述四连杆机构1中有一杆为第一驱动杆4，第一驱动杆4由所述驱动机构进行驱动转动，第一外杆2以及第二外杆3分别连接在与第一驱动杆4连接的两连杆上。

所述四连杆机构1的四个连杆上均设有第一调整槽5，第一外杆2和第二外杆3上均设有第二调整槽6，第一调整槽5与第二调整槽6通过螺栓连接以将第一外杆2和第二外杆3与四连杆机构1连接起来，这样可以变换不同连杆以验证所需的连杆，同时，可以方便进行调整和校正。

优选的，与第一驱动杆4连接的两连杆其一为第二驱动杆7，第二驱动杆7与驱动机构连接。所述驱动机构包括基座8以及设置在基座上的电机9、齿轮组与传动轴10，齿轮组包括电机输出齿轮11、联动齿轮12、下传动齿轮13、上传动齿轮14以及驱动齿轮15，电机输出齿轮11连接在电机输出轴上，并且电机输出齿轮11与联动齿轮12相啮合，联动齿轮12还与下传动齿轮13相啮合，下传动齿轮13和上传动齿轮14通过所述传动轴10连接，上传动齿轮14与驱动齿轮15啮合，第一驱动杆4与第二驱动杆7分别由驱动齿轮15和联动齿轮12驱动。电机9通过齿轮组将动力传递给四连杆机构1，并保证第一驱动杆4和第二驱动杆7的角速度比值恒定。

所述外杆同步到位检测装置可以是现有技术的检测装置，如红外线检测或摄像头。外杆同步到位检测装置还可以为两个瞬时释放机构，两瞬时释放机构分别设置在第一外杆2以及第二外杆3外端部处，瞬时释放机构包括支架16、排斥磁铁17、吸引磁铁18以及磁性金属件19，排斥磁铁17设置在支架16上，吸引磁铁18设置在第一外杆2或第二外杆3的外端部上，工作时，磁性金属件19被吸住在吸引磁铁18的下端面上，吸引磁铁18在排斥磁铁17下面经过，排斥磁铁17和吸引磁铁18间的垂直距离根据磁铁的磁性强度而定，如磁性较强可以将排斥磁铁17和吸引磁铁18间的垂直距离相对设置远一些，吸引磁铁18在排斥磁铁17下面经过时，排斥磁铁17和吸引磁铁18相对的两端为相同的磁极，如排斥磁铁17下端为S极，那么吸引磁铁18的上端为S极，吸引磁铁18的下端为N极，相反如排斥磁铁17下端为N极那么吸引磁铁18的上端为N极，吸引磁铁18的下端为S极，这样当吸引磁铁18在排斥磁铁17下面经过时，磁性金属件19受到吸引磁铁18的吸引力和排斥磁铁17对其的排斥力以及重力，当合力向下时，磁性金属件19便从第一外杆2或第二外杆3上脱落，这样就能实现当第一外杆2和第二外杆3外端部运动到排斥磁铁17下方时磁性金属件19脱离。排斥磁铁17和吸引磁铁18为相同的两块磁铁，为达到使磁性金属件19顺利掉落，排斥磁铁17设置两块磁铁而吸引磁铁18设置一块。

下面对其原理进行说明：磁铁对软磁性材料具有吸引力，在软磁性材料靠近磁铁时，根据周围的磁场而被磁化，这时的软磁性材料可以理解成一个新的磁铁。如：一铁球被磁化后N极朝下，S极朝上，这时在最上方放置磁极朝向相反的排斥磁铁(此处的磁极朝向相反指排斥磁铁的S极朝向与吸引磁铁的S极朝向相反，如其一S极朝上，则另一S极朝下，使两磁铁相对的两极性相同)，穿过铁球的磁感线就会发生改变，但铁球仍未因磁场的改变而改变极性的瞬间，铁球的极性仍和吸引磁铁保持一致，铁球受到吸引磁铁的吸引力和排斥磁铁的排斥力的合力，只要排斥磁铁的磁力够强，铁球来不及改变极性就被排斥出来，实现释放过程。

优选的，所述磁性金属件19为软磁金属球，支架16对应两排斥磁铁17位置分别设有两球滚动轨道20，排斥磁铁17设置在球滚动轨道20上方，工作时，第一外杆2或第二外杆3从排斥磁铁17和球滚动轨道20间经过。所述两球滚动轨道20的末端处设有轨道磁铁21,这使软磁金属球滚至靠近球滚动轨道20的末端时受轨道磁铁21吸引加速而产生撞击同时发出撞击声，从而使学生不仅在视觉上观察到两软磁金属球分别在两球滚动轨道20上齐头并进而且还能从听觉上感受到两软磁金属球是同时到达球滚动轨道20的末端的，从而验证三心定理的正确性。优选的，所述软磁金属球为球形磁铁。使软磁金属球到达排斥磁铁17下方时，反应更灵敏。

所述四连杆机构1的四个连杆分别设置在不同的高度上，四个连杆间通过铰接轴铰接在一起。以使第一外杆2和第二外杆3之间在高度方向上相错开，这可使两球滚动轨道20在上下间有一定距离，避免相互影响同时也方便观察、控制和调整。

实施例二：

一种三心定理验证方法，包括以下步骤：

一、校正：

校正前先启动马达，将待验证两连杆旋转到某一合适的角度，以方便进行校正。

(1)、球滚动轨道校准：找出待验证两连杆在水平面上投影的交点O点，将球滚动轨道绕基座旋转，并调节球滚动轨道到基座中心的距离，直到排斥磁铁与O点在水平面的投影重合；

(2)、校准第一外杆和第二外杆的位置：通过调整第一外杆和第二外杆的结合点以及其两杆之间的夹角，使得第一外杆和第二外杆带吸引磁铁的位置与O点重合；

二、安装软磁金属球，启动电机，使得第一外杆和第二外杆带吸引磁铁的位置不与O点重合，将软磁金属球安装在第一外杆和第二外杆的吸引磁铁上；

三、进行实验：再次启动电机，使四连杆机构开始转动并观察，第一外杆带吸引磁铁的位置与O点重合时，第二外杆带吸引磁铁的位置与O点也重合，当吸引磁铁与O点重合时，两软磁金属球同时被释放并下落到球滚动轨道，最后两软磁金属球分别在两球滚动轨道上平齐向末端滚动，并同时到达球滚动轨道的末端，两软磁金属球到达球滚动轨道的末端时受轨道磁铁吸引加速靠近同时发出碰撞声。

本实用新型的工作过程及工作原理：如图8-9所示为一四连杆机构，为方便描述四连杆机构的四个连杆分别描述为杆E、杆F、杆G以及杆H，图中A点为固定点，杆E和杆F分别以w1和w2的角速度绕A点逆时针匀速旋转。在任一瞬时，杆E和杆F的速度瞬心位于A点，杆F和杆G的瞬心位于D点，根据三心定理，杆E和杆G的速度瞬心位于直线AD上。同理，由杆E、杆G和杆H可得杆E和杆G的瞬心在直线BC上，故杆E和杆G的速度瞬心在直线AD和BC的交点O上。

如果能够验证杆E和杆G在该瞬时在O点的速度相同，就可以说明该瞬时杆E和杆G的速度瞬心位于O点，而杆E和杆F的瞬心位于A点，杆F和杆G的瞬心位于D点，O、A和D三点恰好在同一直线上，就能验证三心定理。

将第一外杆固定在杆G上，并在其外端部安放软磁金属球。在四杆机构运动过程中，当第一外杆的外端部与O点重合时，软磁金属球从第一外杆上瞬间脱离，那么，软磁金属球的速度就是杆G在O点的瞬时运动速度。同理，在杆E上安装第二外杆，第二外杆上也安放一个软磁金属球并在O点瞬间释放。通过比较两个软磁金属球运动的速度大小和方向，若完全相同就可以验证E和杆G在该瞬时在O点的速度相等，即O点就是杆E和杆G的瞬心，从而验证三心定理。

此处要说明的是当只有一个驱动杆时，如杆F为驱动杆，则杆E与杆F相铰接，同时也能验证三心定理。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种三心定理验证平台，其特征在于：包括驱动机构、四连杆机构、第一外杆、第二外杆以及用于检测所述第一外杆和第二外杆是否同时到位的外杆同步到位检测装置，所述四连杆机构中有一杆为第一驱动杆，第一驱动杆由所述驱动机构进行驱动转动，第一外杆以及第二外杆分别连接在与第一驱动杆连接的两连杆上。 

2.根据权利要求1所述的三心定理验证平台，其特征在于：所述与第一驱动杆连接的两连杆其一为第二驱动杆，第二驱动杆与驱动机构连接。 

3.根据权利要求1所述的三心定理验证平台，其特征在于：所述外杆同步到位检测装置为两个瞬时释放机构，两瞬时释放机构分别设置在第一外杆以及第二外杆上，瞬时释放机构包括支架、排斥磁铁、吸引磁铁以及磁性金属件，排斥磁铁设置在支架上，吸引磁铁设置在第一外杆或第二外杆上，工作时，磁性金属件被吸住在吸引磁铁的下端面上，当吸引磁铁在排斥磁铁下面经过，此时，排斥磁铁和吸引磁铁相对的两端为相同的磁极。 

4.根据权利要求3所述的三心定理验证平台，其特征在于：所述磁性金属件为软磁金属球，支架对应两排斥磁铁位置分别设有两球滚动轨道，排斥磁铁设置在球滚动轨道上方，工作时，第一外杆或第二外杆从排斥磁铁和球滚动轨道间经过。 

5.根据权利要求1所述的三心定理验证平台，其特征在于：所述四连杆机构的四个连杆上均设有第一调整槽，第一外杆和第二外杆上均设有第二调整槽，第一调整槽与第二调整槽通过螺栓连接以将第一外杆和第二外杆与四连杆机构连接起来。 

6.根据权利要求1所述的三心定理验证平台，其特征在于：所述四连杆机构的四个连杆分别设置在不同的高度上，四个连杆间通过铰接轴铰接在一起。 

7.根据权利要求2所述的三心定理验证平台，其特征在于：所 述驱动机构包括基座以及设置在基座上的电机、齿轮组与传动轴，齿轮组包括电机输出齿轮、联动齿轮、下传动齿轮、上传动齿轮以及驱动齿轮，电机输出齿轮连接在电机输出轴上，并且与联动齿轮相啮合，联动齿轮还与下传动齿轮相啮合，下传动齿轮和上传动齿轮通过所述传动轴连接，上传动齿轮与驱动齿轮啮合，第一驱动杆与第二驱动杆分别由驱动齿轮和联动齿轮驱动。 

8.根据权利要求4所述的三心定理验证平台，其特征在于：所述两球滚动轨道的末端处设有轨道磁铁。