CN204255968U - 模拟高空坠物测定收尾速度装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种模拟高空坠物测定收尾速度装置，为解决现有技术缺少相关测试设备问题，其包括固装在支架上、底部配装调速风机或者通过气管联通调速气泵出风口的竖向透明风洞管，风洞管内由上至下依次间隔配置测风仪、隔离网、位于风洞管中心的定滑轮和匀流稳流装置；自位于风洞管外的高精度测力计引出的拉线、自风洞管上的侧孔引入后绕过定滑轮向下牵引被测坠物。支架下端固装放置在地面或者固定在地面上的底座，支架为上部有上下两层管箍的塔形支架，上下两层管箍套固所述风洞管的下端。具有不受下落高程限制，方便实用的优点。

Description

模拟高空坠物测定收尾速度装置

技术领域

本实用新型涉及一种落体速度测量设备，特别是涉及一种模拟高空坠物测定收尾速度装置。 

背景技术

近年来，高空坠物伤人的案例层出不穷。尤其在高楼林立的城市当中，高空坠物伤人的危害显得更加的突出。 

从物理学的角度来讲，物体从高空坠落，受重力的作用，物体会做近自由落体运动，速度会变得越来越快，同时又受空气阻力的影响，加速度越来越小，物体会最终加速到某一速度值，然后匀速下落，这个速度称为收尾速度。高空坠落的物体经过上述的运动过程之后，一般会具有很大的收尾速度。此时，这些物体就变得相当的危险。由动量定理可知物体的动量与物体的速度成正比，而当这些物体砸到人身上时速度在瞬间变为零，动量转化为力的作用施加到人身上。在这种状态下，即便只是轻如鸡蛋的小东西都可能对人产生致命的伤害。因此，如果能让大家方便了解高空坠物收尾速度的相应测速装置，就能给人们日常生活中随意向窗外抛物敲响警钟，以加强防范，避免许多高空坠物事故的发生；另外，跳伞和空投物资也需要参考高空坠物收尾速度实验数据。但是，现实中恰恰缺少方便实用的模拟高空坠物测定收尾速度装置为人们提供这些收尾速度数据。 

发明内容

本实用新型目的在于克服现有技术的上述缺陷，提供一种不受下落高程限制，方便实用的模拟高空坠物测定收尾速度装置。 

为实现上述目的，本实用新型模拟高空坠物测定收尾速度装置包括固装在支架上、底部配装调速风机或者通过气管联通调速气泵出风口的竖向透明风洞管，所述风洞管内由上至下依次间隔配置测风仪、隔离网、位于所述风洞管中心的定滑轮和匀流稳流装置；自位于所述风洞管外的高精度测力计引出的拉线、自风洞管上的侧孔引入后绕过所述定滑轮向下牵引被测坠物。如此设计，若风洞中被测物体在竖直向上的足够大的风力的作用下保持悬浮状态，即重力mg和阻力f刚好等大反向，则此时的风速的大小即为被测物体的收尾速度V_m，则阻力系数k就可以直接由公式(2-7)计算得出。若风洞中被测物体在竖直向上的风力不能使被测物体悬浮，则在某时刻某风速下，用测力计测量被测物体受到的竖直方 向上的拉力，竖直向上的风力大小可以任意控制，拉力的大小即为被测物体的质量和此时加速度的乘积ma＝F。然后在风力从0到收尾速度的逐渐增大的变化过程中，则测量出若干组F和v的关系，然后根据式(2-5)得出一条f-v²曲线，斜率k即为所需要的阻力系数。然后把k带入式(2-7)计算收尾速度。再根据数学中微积分的知识，就可以得出物体实际下落过程中的v-t、s-t、v-s关系曲线。这样就实现了测定物体下落的阻力系数和收尾速度，以及物体下落过程的所有状态。风洞管由有机玻璃材料制成的透明圆管，整个风洞的壁，风从下向上流动。被测物体：几何形状任意。但尺寸要小于管的内径。也就是测力计计数为0时，测风仪测得的风速就是收尾速度，不需要经过任何计算。其具有不受下落高程限制，方便实用的优点。 

作为优化，所述支架下端固装放置在地面或者固定在地面上的底座，所述支架为上中有上下两层管箍的塔形支架，所述上下两层管箍套固所述风洞管的下端。底座：重钢板，固定轴通过螺栓结构连接在四个角，稳定装置，降低装置的重心。 

作为优化，所述塔形支架是四根斜柱上端固连上层开口环形管箍、下端固连所述底座，所述四根斜柱的中部向内分别通过一根横撑固连下层开口环形管箍；所述开口环形管箍的两开口端分别向外制有带螺孔的端板，每个开口环形管箍的两端板配置用于将管箍紧固在所述风洞管外周的标准坚固件；所述管箍直接紧固在所述风洞管外周或者所述管箍通过弹性垫圈紧固在所述风洞管外周。 

作为优化，所述匀流稳流装置是所述风洞管中下部内设置一层风阻小的细纱网作为稳流网，在稳流网上面的管壁上配置多个对称的、垂直向上的长条形竖板作为匀流板。稳流网：用丝纱状的布料(我们用的女士丝袜)套在有机玻璃管接口处，用以稳定风的方向，使风经过稳流网后变得尽可能均匀。 

作为优化，所述风洞管中下部有上下对接口，下对接口固装有弹性尼龙细纱网，上对接口外周固装有用于向下套接所述下对接口的下管箍；所述长条形竖板为三条或者三条以上的多条，并且都在风洞管所在圆的径线和轴线平面内。匀流板(或扇叶)：扇叶由三把相同的尺子构成，用胶枪对称固定在管壁。流体力学的知识告诉我们风通过稳流网后会在管壁形成很多细小的涡旋气流，导致管内气流不是竖直向上而是螺旋向上，会使得被测物体不停旋转，使结果不精确。扇叶的作用是减少涡流，使得风向尽可能竖直向上。 

作为优化，所述上对接口上方外周固装有与下管箍对接的上管箍；所述上下管箍裸接或者上下管箍外周通过三对卡座和手动弹性卡扣扣接在一起。 

作为优化，所述风洞管中部内周固装一条中间滑配所述定滑轮的横轴，所述风洞管中 部在与所述横轴中心垂直的一侧壁上制有用于穿引所述拉线的通孔，所述高精度测力计配置在位于所述风洞管外地面上的侧架上或者直接配置在所述风洞管外壁上的外托架上。定滑轮：轴承上套一个U型尼龙槽构成，栓在被测物体上的细线通过槽改变方向，轴承可有效减小摩擦力的影响。这里就是改变被测物体的受合外力的方向。横轴，也可称为滑轮轴：钢条，在管壁开两个细小的孔，钢条沿着直径方向水平搭在管内，定滑轮的中心穿在该轴上，起到固定定滑轮的作用。 

作为优化，所述侧架底部放置或者固定在地面上，所述侧架独立或者上部与所述风洞管之间连接有横撑。 

作为优化，所述测风仪由把手式风速探测器和显示器及连接风速探测器与显示器的导线组成，所述风速探测器位于所述风洞管上部内周中部，风速探测器的把手固装在所述风洞管壁上； 

所述风洞管内周在所述风速探测器与所述定滑轮隔离之间配置抗冲击材料制成的、风阻小的隔离网； 

所述风机或气泵为一台或者为并列配置的多台。气泵：交流220V正常工作，最大电压250V。可以吹出强大的气流。利用7个气泵工作，以提供足够大的风力使被测物悬浮。气泵管道：连接气泵出风口和管底的软管。七个软管口插在管底，并用胶枪密封。所述气泵通过电压转换器连接电源线：输入220V交流电，通过调节旋转轴可以连续输出0～250V交流电压。将输出的电压提供给气泵，使气泵输出的风力连续变化。 

作为优化，所述风洞管中部高精度测力计侧制有一个侧孔，所述风速探测器的把手通过所述风洞管外周配装的环卡或者所述侧孔周围管壁固装的兰盘配装在所述风洞管壁上； 

所述隔离网为钢丝网；所述隔离网为风洞管周壁上制有环形均匀分布的环绕通孔，由一根或者多根并列的钢丝穿过所述环绕通孔编织成的钢丝网；或者所述隔离网为上接口或者下接口配装钢丝网，上下接口外周再通过任一个接口配装的管箍套装在一起； 

所述风机或气泵通过电压转换调节器连接电源。隔离网：铁丝网状结构，防止因风力过大导致被测物体向上飞出损坏实验装置。 

所述测风仪的显示器或者探测器和高精度测力计的电子信号输出端子通过数据线连接计算机。 

测风仪：量程0-45m/s，精度0.1m/s。由把手风速探测器和显示器两部分连接组合而成，把手通过在管壁开孔水平放入风洞内部，显示装置手持即可。当管内有风流动，测风仪即可显示风洞里面的风速大小。 

高精度测力计：量程5N，精度0.001N。可以通过九孔连接线与电脑进行通信。被测物体用细线拴住竖直吊在管内，通过定滑轮改变细线的方向后(由竖直变成水平)，在管壁开小孔将细线引出挂在水平放置的高精度测力计的钩子上。钩子挂重物之前按下置零按钮，用照相机的三脚架保证高精度测力计的水平放置。还可以进一步是测力时通过电脑上的测力通信软件(测力计自带专用软件)可显示力在一段时间内的连续变化过程，继而计算出一段时间力的平均值。在这里用来测量被测物体在风洞里面受到的合外力。 

为方便向管内放置各实验部件，整个管分为三节，内径为10cm，外径为11cm。节与节之间通过内径为11cm的套筒连接，并密封。 

其是基于经典牛顿运动理论建立起来的，高空坠物测量实物下落的动态风阻外推收尾速度方法的实验具有如下优势： 

1、测量精度高：测量一段时间内的细绳上拉力的平均值，有效地减小了外界环境微小变化带来的影响。定滑轮的中轴是轴承，摩擦力极小，测风仪精度灵敏度较高，以及高精度测力仪来实现在变化电压下风速的微量变化的精确测量。 

2、采用连续测试方法：通过电路装置使测量时间差变得较小，并从电压连续变化上实现阻力系数的连续测量。 

3、有可扩展性：如果风洞管做的更粗，气泵鼓出来的风更大，则理论上可以测量任意物体的阻力系数和收尾速度。 

4、有广泛的应用：对于跳伞爱好者，实验测量的结果可以提供一定的理论依据。对于直升机向灾区向地面抛救援物质提供理论依据给人们日常生活中随意向窗外抛物敲响了警钟。 

采用上述技术方案后，本实用新型模拟高空坠物测定收尾速度装置具有不受下落高程限制，方便实用的优点。 

附图说明

图1是本实用新型模拟高空坠物测定收尾速度装置的结构示意图。 

具体实施方式

如图所示，本实用新型模拟高空坠物测定收尾速度装置包括固装在塔形支架1上、底部配装通过气管30联通变压(或变频)调速气泵3出风口(或者调速风机)的竖向透明风洞管2，所述风洞管2内由上至下依次间隔配置测风仪、隔离网5、位于所述风洞管2中心的定滑轮6和匀流稳流装置；由位于所述风洞管2外的高精度测力计60引出的拉线61、自风洞管2上的侧孔引入绕过所述定滑轮6向下牵引被测坠物68。所述气泵3(或风机)为并列配置的七台气泵：采用交流220V正常工作，最大电压250V。可以吹出强大的气流。利用7个气泵工作，以提供足够大的风力尽可能使被测物悬浮。气泵管道：连接气泵出风口和管底的软管。七个软管口插在管底，并用胶枪密封(如实物图所示)。被测物体：几何形状任意。但尺寸要小于管的内径。所述气泵通过电压转换器连接电源线：输入220V交流电，通过调节旋转轴可以连续输出0～250V交流电压。将输出的电压提供给气泵，使气泵输出的风力连续变化。

所述塔形支架1下端固装放置在地面(或者固定在地面)上的底座10，所述塔形支架1上部有上下两层管箍，所述上下两层管箍套固所述风洞管2的下端。具体是所述塔形支架1是四根斜柱上端固连上层开口环形管箍、下端固连所述底座10，所述四根斜柱的中部向内分别通过一根横撑固连下层开口环形管箍；所述开口环形管箍的两开口端分别向外制有带螺孔的端板，每个开口环形管箍的两端板配置用于将管箍紧固在所述风洞管2外周的标准坚固件；所述管箍直接紧固在所述风洞管2外周或者所述管箍通过弹性垫圈紧固在所述风洞管2外周。底座：由重钢板制成，固定轴通过螺栓结构连接在四个角，稳定装置，降低装置的重心。 

所述匀流稳流装置是所述风洞管2中下部内设置一层风阻小的细纱网作为稳流网4，在稳流网4上面的管壁上配置多个对称的、垂直向上的长条形竖板作为匀流板41。具体是所述风洞管2中下部有上下对接口，下对接口固装有弹性尼龙细纱网(更确切为女士长筒尼龙丝袜)，上对接口外周固装有用于向下套接所述下对接口的下管箍；所述长条形竖板为三条或者三条以上的多条，并且都在风洞管所在圆的径线和轴线平面内。所述上对接口上方外周固装有与下管箍对接的上管箍；所述上下管箍裸接或者上下管箍外周通过三对卡座和手动弹性卡扣扣接在一起。稳流网：用丝纱状的布料(我们用的女士丝袜)套在有机玻璃管接口处，用以稳定风的方向，使风经过稳流网后变得尽可能均匀。匀流板(或扇叶)：扇叶由三把相同的尺子构成，用胶枪对称固定在管壁。流体力学的知识告诉我们风通过稳流网后会在管壁形成很多细小的涡旋气流，导致管内气流不是竖直向上而是螺旋向上，会使得被测物体不停旋转，使结果不精确。扇叶的作用是减少涡流，使得风向尽可能竖直向上。 

所述风洞管2中部内周固装一条中间滑配所述定滑轮6的横轴66，所述风洞管2中部在与所述横轴66中心垂直的一侧壁上制有用于穿引所述拉线的通孔，所述高精度测力计60配置在位于所述风洞管2外地面上的侧架上。优选所述侧架底部放置(或者固定)在地面上，所述侧架上部与所述风洞管2之间连接有横撑。定滑轮6是轴承上套一个U型尼龙槽构成，栓在被测物体上的细线通过槽改变方向，轴承可有效减小摩擦力的影响。这里就 是改变被测物体的受拉力的方向。横轴，也可称为滑轮轴：钢条，在管壁开两个细小的孔，钢条沿着直径方向水平搭在管内，定滑轮的中心穿在该轴上，起到固定定滑轮的作用。 

所述测风仪由把手式风速探测器7和显示器71及连接风速探测器7与显示器71的导线组成，所述风速探测器7位于所述风洞管2上部内周中部，风速探测器7的把手固装在所述风洞管壁上；具体为所述风洞管2中部高精度测力计60侧制有一个侧孔，所述风速探测器7的把手通过所述风洞管2外周配装的环卡或者所述侧孔周围管壁固装的兰盘配装在所述风洞管壁上。 

所述风洞管2内周在所述风速探测器7与所述定滑轮6之间配置抗冲击材料制成的、风阻小的隔离网5，具体为钢丝网；更具体为所述隔离网5为风洞管周壁上制有环形均匀分布的环绕通孔，由一根或者多根并列的钢丝穿过所述环绕通孔编织成的钢丝网；或者所述隔离网为上接口或者下接口配装钢丝网，上下接口外周再通过任一个接口配装的管箍套装在一起。隔离网：铁丝网状结构，防止因风力过大导致被测物体向上飞出损坏实验装置。 

测量步骤 

1、组装仪器：按照装置所示组装好实验装置，保证实验装置的密封性，检测个仪器部件是否正常工作。 

2、放被测物体：把被测物体用细线(或者拉线)拴住吊在有机玻璃管(风洞管)内，通过定滑轮改变细线的方向，把细线通过管壁开的小孔引出接到测力计挂钩上(挂上之前测力计置零)，打开测力计，测力计用数据线连接电脑，在电脑终端打开测力计通信软件。此时，测力通信软件能实时准确地显示绳上的拉力，这种状态下，就等于鸡蛋的重力。 

3、放置测风仪：测风仪把手和显示器连接起来，打开测风仪的开关。 

4、调节气泵的工作电压：把电压转换器的输入端连在220交流电源上，把输出端接在第一台气泵上，使得气泵在低电压下工作，吹出来较小的风，然后调节电压转换器的旋转轴，使输出电压不断增大，气泵鼓出的风逐渐增大，直到电压转换器输出220V。 

5、记录数据：在4调节气泵的工作电压的过程中，某一电压转换器的输出电压下，待测风仪的示数稳定后，读出测风仪的示数，并在电脑上的测力通信软件上记录一段时间内的细绳上的拉力。 

6、增大管内风力：把第二台气泵接到220V交流电压上，重复步骤4和5。然后再第三台气泵接到220V交流电压上，如此进行，直到被测物体悬浮，或者7台气泵全部满负荷工作。 

7、数据处理和结果分析：若被测物体达到悬浮状态，测力计的示数应为0，则此时测风仪显示的风速就是被测物体在下落的过程中最后的收尾速度Vm。然后带入公式(2-7) 

$V_m=\sqrt{\frac{\mathrm{mg}}{k}}$

直接计算出阻力系数k。也就是测力计计数为0时，测风仪测得的风速就是收尾速度，不需要经过任何计算。 

若被测物体没有到达悬浮状态，则可通过对测得的数据计算，从而得出物体的收尾速度。 

其是基于经典牛顿运动理论建立起来的，高空坠物测量实物下落的动态风阻外推收尾速度方法的实验具有如下优势： 

1、测量精度高：测量一段时间内的细绳上拉力的平均值，有效地减小了外界环境微小变化带来的影响。定滑轮的中轴是轴承，摩擦力极小，测风仪精度灵敏度较高，以及高精度测力仪来实现在变化电压下风速的微量变化的精确测量。 

2、采用连续测试方法：通过电路装置使测量时间差变得较小，并从电压连续变化上实现阻力系数的连续测量。 

3、有可扩展性：如果风洞管做的更粗，气泵鼓出来的风更大，则理论上可以测量任意物体的阻力系数和收尾速度。 

4、有广泛的应用：对于跳伞爱好者，实验测量的结果可以提供一定的理论依据。对于直升机向灾区向地面抛救援物质提供理论依据给人们日常生活中随意向窗外抛物敲响了警钟。 

Claims (10)

1.一种模拟高空坠物测定收尾速度装置，其特征在于包括固装在支架上、底部配装调速风机或者通过气管联通调速气泵出风口的竖向透明风洞管，所述风洞管内由上至下依次间隔配置测风仪、隔离网、位于所述风洞管中心的定滑轮和匀流稳流装置；自位于所述风洞管外的高精度测力计引出的拉线、自风洞管上的侧孔引入后绕过所述定滑轮向下牵引被测坠物。 

2.根据权利要求1所述测定收尾速度装置，其特征在于所述支架下端固装放置在地面或者固定在地面上的底座，所述支架为上部有上下两层管箍的塔形支架，所述上下两层管箍套固所述风洞管的下端。 

3.根据权利要求2所述测定收尾速度装置，其特征在于所述塔形支架是四根斜柱上端固连上层开口环形管箍、下端固连所述底座，所述四根斜柱的中部向内分别通过一根横撑固连下层开口环形管箍；所述开口环形管箍的两开口端分别向外制有带螺孔的端板，每个开口环形管箍的两端板配置用于将管箍紧固在所述风洞管外周的标准坚固件；所述管箍直接紧固在所述风洞管外周或者所述管箍通过弹性垫圈紧固在所述风洞管外周。 

4.根据权利要求1所述测定收尾速度装置，其特征在于所述匀流稳流装置是所述风洞管中下部内设置一层风阻小的细纱网作为稳流网，在稳流网上面的管壁上配置多个对称的、垂直向上的长条形竖板作为匀流板。 

5.根据权利要求4所述测定收尾速度装置，其特征在于所述风洞管中下部有上下对接口，下对接口固装有弹性尼龙细纱网，上对接口外周固装有用于向下套接所述下对接口的下管箍；所述长条形竖板为三条或者三条以上的多条，并且都在风洞管所在圆的径线和轴线平面内。 

6.根据权利要求5所述测定收尾速度装置，其特征在于所述上对接口上方外周固装有与下管箍对接的上管箍；所述上下管箍裸接或者上下管箍外周通过三对卡座和手动弹性卡扣扣接在一起。 

7.根据权利要求1所述测定收尾速度装置，其特征在于所述风洞管中部内周固装一条中间滑配所述定滑轮的横轴，所述风洞管中部在与所述横轴中心垂直的一侧壁上制有用于穿引所述拉线的通孔，所述高精度测力计配置在位于所述风洞管外地面上的侧架上或者直接配置在所述风洞管外壁上的外托架上。 

8.根据权利要求7所述测定收尾速度装置，其特征在于所述侧架底部放置或者固定在 地面上，所述侧架独立或者上部与所述风洞管之间连接有横撑。 

9.根据权利要求1-8任一所述测定收尾速度装置，其特征在于所述测风仪由把手式风速探测器和显示器及连接风速探测器与显示器的导线组成，所述风速探测器位于所述风洞管上部内周中部，风速探测器的把手固装在所述风洞管壁上； 

所述风洞管内周在所述风速探测器与所述定滑轮隔离之间配置抗冲击材料制成的、风阻小的隔离网； 

所述风机或气泵为一台或者为并列配置的多台。 

10.根据权利要求9所述测定收尾速度装置，其特征在于所述风洞管中部高精度测力计侧制有一个侧孔，所述风速探测器的把手通过所述风洞管外周配装的环卡或者所述侧孔周围管壁固装的兰盘配装在所述风洞管壁上； 

所述隔离网为钢丝网；所述隔离网为风洞管周壁上制有环形均匀分布的环绕通孔，由一根或者多根并列的钢丝穿过所述环绕通孔编织成的钢丝网；或者所述隔离网为上接口或者下接口配装钢丝网，上下接口外周再通过任一个接口配装的管箍套装在一起； 

所述风机或气泵通过电压转换调节器连接电源。