CN204066525U - 动态广角静摩擦测试仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于教学测量设备，提供了一种动态广角静摩擦测试仪，包括水平支撑台、具有相对的第一端与第二端的支撑板、滑动放置于支撑板上的小车、固定安装于小车上的摩擦片、放置于摩擦片上的摩擦块、安装于支撑板上的测力计、用于推动支撑板的第二端以调节该支撑板倾斜角度的驱动机构和用于测量支撑板倾斜角度的角度仪；支撑板的第一端与水平支撑台铰接，测力计与小车相连，角度仪安装于水平支撑台上。该动态广角静摩擦测试仪不仅可以测出小车与支撑台间的摩擦系数；当小车在支撑板上滑动时，可以通过测力计示出摩擦片与摩擦块之间静摩擦力大小的变化，并且可以根据测力计和角度仪定量测出摩擦片与摩擦块之间的静摩擦力的大小，及静摩擦系数。

Description

动态广角静摩擦测试仪

技术领域

本实用新型属于教学测量设备领域，尤其涉及一种动态广角静摩擦测试仪。

背景技术

在物理教学中，关于摩擦力实验往往会用到摩擦力实验演示仪。现有的摩擦力教学实验仪器大多功能单一，一般仅能粗略定量分析测出动摩擦力的大小；无法有效、直接的测量分析出静摩擦力的大小变化。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种动态广角静摩擦测试仪，旨在解决现有技术摩擦力实验仪器功能单一、难以测量分析出静摩擦力大小变化的问题。

本实用新型是这样实现的，一种动态广角静摩擦测试仪，包括水平支撑台，还包括具有相对的第一端与第二端的支撑板、滑动放置于所述支撑板上的小车、固定安装于所述小车上的摩擦片、放置于所述摩擦片上的摩擦块、安装于所述支撑板上的测力计、用于推动所述支撑板的第二端以调节该支撑板倾斜角度的驱动机构和用于测量所述支撑板倾斜角度的角度仪；所述支撑板的第一端与所述水平支撑台铰接，所述测力计与所述小车相连，所述角度仪安装于所述水平支撑台上。

进一步地，还包括用于监测所述摩擦块是否滑动的传感器，所述传感器安装于所述小车上。

进一步地，所述支撑板上安装有供所述小车滑动的滑轨，所述小车上设有滚轮，所述滚轮配合置于所述滑轨上。

进一步地，所述滚轮的中部环设有凹槽，所述滑轨的横截面呈三角形，所述三角形的底边置于所述支撑板上，所述三角形的顶角插入所述凹槽中。

进一步地，所述凹槽的底部的横截面呈圆弧状。

进一步地，所述驱动机构包括用于推顶所述支撑板的第二端的顶块、带动所述顶块升降滑动的丝杆和驱动所述丝杆转动的驱动件；所述顶块螺纹配合安装于所述丝杆上，所述丝杆竖直安装于所述水平支撑台上。

进一步地，所述支撑板上对应于所述丝杆的位置开设有供该丝杆顶端插入的开口。

进一步地，所述驱动件为手摇柄或驱动电机。

进一步地，还包括用于确定所述水平支撑台水平度的水平仪，所述水平仪安装于所述水平支撑台上。

进一步地，还包括用于支撑所述水平支撑台的螺杆，所述螺杆螺纹配合安装于所述水平支撑台的底部。

通过在支撑板上设置小车，在水平支撑台上安装角度仪和在支撑板上安装测力计，从而可以测出小车与支撑台间的摩擦系数；在小车上叠放摩擦片和摩擦块，当小车在支撑板上滑动时，可以通过测力计示摩擦片与摩擦块之间静摩擦力大小的变化，并且可以根据测力计和角度仪定量测出摩擦片与摩擦块之间的静摩擦力的大小，及静摩擦系数的大小。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的一种动态广角静摩擦测试仪的立体结构示意图；

图2是图1的动态广角静摩擦测试仪中小车与支撑板配合的侧视结构示意图；

图3是图1的动态广角静摩擦测试仪中支撑板的倾角为α时小车、摩擦片与摩擦块整体受力状态示意图；

图4是图1的动态广角静摩擦测试仪中支撑板的倾角为β时小车、摩擦片与摩擦块整体受力状态示意图；

图5是图1的动态广角静摩擦测试仪中支撑板的倾角为β时摩擦块受力状态示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

请参阅图1，本实用新型实施例提供的一种动态广角静摩擦测试仪，包括水平支撑台1、支撑板2、小车3、摩擦片41、摩擦块42、测力计43、驱动机构5和角度仪44；其中，驱动机构5用来调节支撑板2的倾斜角度；摩擦片41和摩擦块42叠放在小车3上，即摩擦片41放置在小车3上，摩擦块42放置在摩擦片41上；小车3放置在支撑板2上，测力计43与小车3相连，从而测定对小车3的拉力；角度仪44安装在水平支撑台1上，用来测量支撑板2的倾斜角度；支撑板2具有相对的第一端21与第二端22，其第一端21铰接在水平支撑台1上，驱动机构5推动支撑板2的第二端22，使支撑板2绕其第一端21转动，从而调节该支撑板2倾斜角度。水平支撑台1用来安装支撑板2、角度仪44，保证支撑板2在初始位置处于水平状态。

请一并参阅图3，当驱动机构5逐渐调节支撑板2，增大其倾斜时，小车3开始在支撑板2上滑动，而由于测力计43拉住小车3，小车3与支撑板2之间有相对滑动的趋势；因而小车3与支撑板2之间产生最大静摩擦力，此时如图3所示，通过角度仪44可以测得支撑板2的倾角为α，且测力计43的拉力F₁＝0。此时小车3、摩擦片41和摩擦块42整体在平行于支撑板2方向上的受力平衡方程：

f₁＝T₁-F₁＝G₁sinα-F₁＝G₁sinα    (1)

其中，f₁为支撑板2的倾角为α时小车3与支撑板2之间的摩擦力；G₁为小车3、摩擦片41和摩擦块42的总重量，T₁为支撑板2的倾角为α时G₁在平行于支撑板2方向上的分量。而：

G₁＝(m₁+m₂+m₃)g    (2)

其中，m₁为小车3的质量；m₂为摩擦片41的质量；m₃为摩擦块42的质量；g为重力加速度。

由库仑摩擦第一定律可知：

f₁＝μ₁F_N1＝μ₁G₁cosα    (3)

其中，μ₁为小车3与支撑板2之间的摩擦系数；F_N1为支撑板2的倾角为α时G₁在垂直于支撑板2方向上的分量。图3中N₂为支撑板对小车3、摩擦片41、摩擦块42整体的支撑力。

由式(1)和式(3)可以得到：

μ₁＝tanα    (4)

由上述分析可知，该动态广角静摩擦测试仪可以测出小车3与支撑板2之间的摩擦系数，同时测出小车3与支撑板2之间的摩擦角α。

另外，请一并参阅图4和图5，随着驱动机构5逐渐调节支撑板2，增大其倾角β(β>α)，此时过程某时刻如图4所示，通过角度仪44可以测得支撑板2的倾角为β，且测力计43的拉力为F₂，可以从测力计43上直接读出。此时小车3、摩擦片41和摩擦块42作为一个整体在平行于支撑板2方向上的受力平衡方程：

F₂+f₂＝G₁sinβ＝(m₁+m₂+m₃)gsinβ

＝m₃gsinβ+(m₁+m₂)gsinβ＝f₃+G₂sinβ    (5)

其中，F₂为支撑板2的倾角为β时测力计43的拉力；f₂为支撑板2的倾角为β时小车3与支撑板2之间的摩擦力；f₃为支撑板2的倾角为β时摩擦片41对摩擦块42施加的静摩擦力，G₂为小车3和摩擦片41的总重量。

G₂＝(m₁+m₂)g    (6)

由库仑摩擦第一定律可知：

f₂＝μ₁N₂＝μ₁G₁cosβ    (7)

其中，μ₁为小车3与支撑板2之间的摩擦系数，前面公式(4)已测出；N₂为G₁在垂直于支撑板2方向上的分量。

从而由公式(2)、(4)和(7)可以得到：

f₂＝tanα(m₁+m₂+m₃)gcosβ    (8)

从而由公式(5)、(6)和(8)可以得到：

f₃＝F₂+tanα(m₁+m₂+m₃)gcosβ-(m₁+m₂)gsinβ    (9)

从公式(9)可知该动态广角静摩擦测试仪可以测出摩擦块42与摩擦片41之间的静摩擦力f₃，同时可以实时示出摩擦块42与摩擦片41之间静摩擦力的变化。

驱动机构5继续推动支撑板2，以增大支撑板2的倾角；当摩擦块42与摩擦片41之间达到临界状态时，可以通过角度仪44测出支撑板2对应的最大倾角θ，所以摩擦块和摩擦片材料的摩擦角ρ_m为：

ρ_m＝arctan(f/F_N)＝θ(10)

其中：f为支撑倾角为θ时，摩擦块42与摩擦片41之间的最大静摩擦力；F_N为支撑倾角为θ时，摩擦片41对摩擦块42施加的正压力，则有：

F_N＝m₃gcosθ    (11)

从而可以测出摩擦角ρ_m，并通过实验演示摩擦块42与摩擦片41之间的自锁条件。

请参阅图1，该动态广角静摩擦测试仪还包括用于监测摩擦块42是否滑动的传感器46，传感器46安装于小车3上。传感器46可以为加速度传感器46，还可以是红外传感器46等。通过传感器46来判断摩擦块42相对与摩擦片41是否滑动，相比人眼观看，更为精确。同理，也可以在支撑板2上安装用来监测小车3是否滑动的监测器，从而更准确的确定小车3与支撑板2之间的摩擦系数。

请参阅图1和图2，支撑板2上安装有供小车3滑动的滑轨23，小车3上设有滚轮31，滚轮31配合置于滑轨23上。通过在支撑板2上设置滑轨23，减小小车3的滚轮31与滑轨23之间的接触面积，减小小车3与支撑板2之间的摩擦系数，从而可以测量摩擦片41与摩擦块42之间静摩擦力变化的范围更广。为了防止摩擦片41与小车3之间发生相对滑动，可以将摩擦片41固定在小车3上。

滚轮31的中部环设有凹槽32，滑轨23的横截面呈三角形，三角形的底边置于支撑板2上，三角形的顶角插入凹槽32中。将滑轨23设置呈三角形，使其顶角支撑小车3的滚轮31，可以进一步减小小车3与支撑板2的接触面积，减小小车3与支撑板2之间的摩擦系数。而设置凹槽32，以防止小车3的滚轮31从滑轨23上掉落。

更进一步地，凹槽32的底部33的横截面呈圆弧状。这样，当滚轮31与滑轨23的三角形顶角接触时，可以形成点接触，更进一步地减少滚轮31与滑轨23之间的接触面积，减小小车3与支撑板2之间的摩擦系数。

驱动机构5包括顶块51、丝杆52和驱动件；丝杆52竖直安装在水平支撑台1上，顶块51螺纹配合安装在丝杆52上，并且顶块51可以沿丝杆52滑动。驱动件驱动丝杆52转动，推动其上的顶块51上下滑动，从而通过顶块51推顶支撑板2的第二端22，从而实现调节支撑板2倾斜角度。

支撑板2上对应于丝杆52的位置开设有供该丝杆52顶端插入的开口24，设置开口24，可以将丝杆52和顶块51的位置设置在靠向支撑板2中部区域，从而可以更为平稳地推动支撑板2；另外在支撑板2转动时，丝杆52与支撑板2之间会发生相对滑动，即丝杆52相对于支撑板2朝向该支撑板2左边或右边相对移动，该开口24作为丝杆52相对支撑板2移动的一个滑道。

驱动件可以为手摇柄53或驱动电机54。如通过手摇柄53或驱动电机54驱动丝杆52转动。本实施例中使用手摇柄53，手摇柄53安装在水平支撑台1上，通过锥形齿轮传动，推动丝杆52转动。在另一些实施例中，也可以在水平支撑台1上开设与丝杆52配合的螺纹孔，通过调节丝杆52在水平支撑台1上的高度，来使丝杆52推顶支撑板2，以调节支撑板2的倾角。

通过丝杆52来调节支撑板2的倾角，可以无级连续改变支撑板2与水平面的倾角，从而使测力计43和角度仪44可以连续测出支撑板2在一定倾角下小车3的下滑力，随着倾角的增加，小车3的下滑力增加测力计43的读数增加，根据读出的测力计43的数值就可以间接观察静摩擦力的变化规律：当支撑板2的倾角达到最大数值时，小车3上的摩擦块42在摩擦片41上滑动，摩擦片41和摩擦块42之间的静摩擦力达到最大值，静摩擦力转变为动摩擦力。如反向转动螺杆，测试沿相反的方向进行，获得正、反双向的摩擦测试。由于摩擦片和摩擦块材料的摩擦系数等于斜板倾角的正切值，而丝杆52的长度可以决定支撑板2调节的倾角的大小，若设置相对较长的丝杆52，则可以使支撑板2的倾角范围在0～90度之间变化，即该动态广角静摩擦测试仪可测量各种材料的静摩擦系数，测试量程可以为零到无穷大。本实施例中，测力计43和角度仪44可以采用常规仪器，结构简单，安装、维护和调试方便，容易保证和提高测试精度。

本实施例中，同时安装有手摇柄53和驱动电机54，从而可以通过手动和电动两种方式调节支撑板2的倾角，可在测试的任意时刻无级连续变速、换向或停止测试。通过传感器46瞬间感知摩擦块42的运动，控制驱动电机54停止，以保持支撑板2的倾角不再变化，从而可以便测量更准确。

进一步地，该动态广角静摩擦测试仪还包括用于确定水平支撑台1水平度的水平仪45，水平仪45安装于水平支撑台1上。通过设置水平仪45，可以确定水平支撑台1的水平度，从而方便角度仪44更准确地测量出支撑板2与水平面的倾角。

进一步地，该动态广角静摩擦测试仪还包括用于支撑水平支撑台1的螺杆11，螺杆11螺纹配合安装于水平支撑台1的底部。通过螺杆11支撑水平支撑台1，并使螺杆11与水平支撑台1通过螺纹连接，可以通过螺杆11来调节水平支撑台1的高度和水平度，以适应不同的环境。具体地，可以在支撑台1上开设螺纹孔，将螺杆11配合安装在螺纹孔中，从而支撑住水平支撑台1。还可以在水平支撑台1的底部安装固定螺母，通过固定螺母与螺杆11的配合将螺杆安装在水平支撑台的底部。在螺杆11的底部安装有支撑螺母，通过支撑螺母支撑螺杆，这样当动态广角静摩擦测试仪放置在地面、桌面等介质面上后，螺杆可以在支撑螺母中转动，而无需抬起螺杆，可以在调节水平支撑台1的水平度时，更精确。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种动态广角静摩擦测试仪，包括水平支撑台，其特征在于：还包括具有相对的第一端与第二端的支撑板、滑动放置于所述支撑板上的小车、固定安装于所述小车上的摩擦片、放置于所述摩擦片上的摩擦块、安装于所述支撑板上的测力计、用于推动所述支撑板的第二端以调节该支撑板倾斜角度的驱动机构和用于测量所述支撑板倾斜角度的角度仪；所述支撑板的第一端与所述水平支撑台铰接，所述测力计与所述小车相连，所述角度仪安装于所述水平支撑台上。

2.如权利要求1所述的动态广角静摩擦测试仪，其特征在于，还包括用于监测所述摩擦块是否滑动的传感器，所述传感器安装于所述小车上。

3.如权利要求1所述的动态广角静摩擦测试仪，其特征在于，所述支撑板上安装有供所述小车滑动的滑轨，所述小车上设有滚轮，所述滚轮配合置于所述滑轨上。

4.如权利要求3所述的动态广角静摩擦测试仪，其特征在于，所述滚轮的中部环设有凹槽，所述滑轨的横截面呈三角形，所述三角形的底边置于所述支撑板上，所述三角形的顶角插入所述凹槽中。

5.如权利要求4所述的动态广角静摩擦测试仪，其特征在于，所述凹槽的底部的横截面呈圆弧状。

6.如权利要求1-5任一项所述的动态广角静摩擦测试仪，其特征在于，所述驱动机构包括用于推顶所述支撑板的第二端的顶块、带动所述顶块升降滑动的丝杆和驱动所述丝杆转动的驱动件；所述顶块螺纹配合安装于所述丝杆上，所述丝杆竖直安装于所述水平支撑台上。

7.如权利要求6所述的动态广角静摩擦测试仪，其特征在于，所述支撑板上对应于所述丝杆的位置开设有供该丝杆顶端插入的开口。

8.如权利要求6所述的动态广角静摩擦测试仪，其特征在于，所述驱动件为手摇柄或驱动电机。

9.如权利要求1-5任一项所述的动态广角静摩擦测试仪，其特征在于，还包括用于确定所述水平支撑台水平度的水平仪，所述水平仪安装于所述水平支撑台上。

10.如权利要求1-5任一项所述的动态广角静摩擦测试仪，其特征在于，还包括用于支撑所述水平支撑台的螺杆，所述螺杆螺纹配合安装于所述水平支撑台的底部。