CN204882598U - 一种用角动量守恒定律测量飞行物体速度的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用角动量守恒定律测量飞行物体速度的装置，其特征在于，包括底板、支架、摆杆、轴、拨杆、刻度盘、指针、弹簧挡圈、飞行物以及运算单元；底板安装在工作台上；支架与底板固定连接，摆杆与轴固定连接，轴安装在轴安装孔内，且可绕支架自由转动；支架顶端具有与轴安装孔同轴的弧形拨杆槽；刻度盘与轴安装孔同轴心固定在支架上；指针贴近刻度盘固定在轴上；弹簧挡圈固定在所述指针外的轴的末端；飞行物为强磁性材料，所述飞行物与所述摆杆的碰撞为两个刚体之间的碰撞；所述运算单元根据角动量守恒定律计算出所述飞行物的速度。本实用新型结构简单，方便快捷、成本低廉。

Description

一种用角动量守恒定律测量飞行物体速度的装置

技术领域

本实用新型涉及速度测量设备领域，具体为一种用角动量守恒定律测量飞行物体速度的装置。

背景技术

测量飞行物的速度一般采用激光法或者高速摄影设备，激光法成本较高；高速摄影设备成本仍然很高，另外受背景条件、光线情况、距离远近的影响，要求的条件比较苛刻。在实验室或者企业的生产过程中往往需要测量一些飞行物体的速度，上述两种方法成本又太高，所以找到一种成本低廉、方便快速的一种用角动量守恒定律测量飞行物体速度的装置非常必要。

发明内容

本实用新型针对以上问题的提出，而研究设计一种结构简单、成本较低、能够方便快捷的测量飞行物体速度的装置。

本实用新型的技术手段如下：

一种用角动量守恒定律测量飞行物体速度的装置，其特征在于，包括底板、支架、摆杆、轴、拨杆、刻度盘、指针、弹簧挡圈、飞行物以及运算单元；

所述底板安装在工作台上；所述支架与所述底板固定连接，且所述支架的方向为倾斜向上；所述支架的顶端具有与所述轴适配的轴安装孔；

所述摆杆与所述轴固定连接，所述轴安装在所述轴安装孔内，且可绕所述支架自由转动；所述支架顶端具有与所述轴安装孔同轴的弧形拨杆槽；所述拨杆为直角杆，所述拨杆一端与所述轴固定，另一端穿入所述拨杆槽，所述拨杆随所述轴在所述拨杆槽中灵活转动；

所述刻度盘与所述轴安装孔同轴心固定在所述支架上；所述指针贴近所述刻度盘固定在所述轴上；所述弹簧挡圈固定在所述指针外的轴的末端；

所述拨杆拨动所述指针转动；所述刻度盘上具有表示角度的刻度；可通过观察指针与刻度盘上重合的刻度测量摆杆的摆动角度；

所述飞行物为强磁性材料，与所述摆杆碰撞后不反弹，且不打到所述摆杆内，而是吸附在所述摆杆的表面；所述飞行物与所述摆杆的碰撞为两个刚体之间的碰撞；

向所述运算单元输入所述飞行物的质量m₀、摆杆的质量m、摆杆的底端距离轴中心线的距离l、所述飞行物与所述摆杆的碰撞点距所述轴中心线的距离a、以及摆杆的摆动角度，所述运算单元根据角动量守恒定律计算出所述飞行物的速度。

进一步地，所述支架为两根，且两根所述支架相互平行；所述摆杆设置在两所述支架中间。

进一步地，所述摆杆通过定位销与所述轴固定。根据飞行物打上摆杆前瞬间的角动量大小，可更换不同质量的摆杆，采用定位销方便更换摆杆。

进一步地，所述轴的两端通过滑动轴承支撑在所述支架上。滑动轴承使摆杆受到飞行物的碰撞后能够尽量减小摩擦，提高装置测量的准确度。

进一步地，所述装置还包括发射所述飞行物的发射装置。

更进一步地，所述摆杆的横截面为矩形，所述飞行物垂直打在所述摆杆的侧面上，使所述摆杆摆动。摆杆摆动带动拨杆转动，拨杆转动带动指针转动，指针在刻度盘上指示出测到的摆杆的摆动角度。

与现有技术比较，本实用新型所述的用角动量守恒定律测量飞行物体速度的装置具有以下有益效果：结构简单，方便快捷、成本低廉。

附图说明

图1为本实用新型实施例主视图；

图2为本实用新型实施例俯视图；

图3为本实用新型实施例支架剖视图；

图4为图2中K部放大图。

图中：1、支架，2、指针，3、刻度盘，4、摆杆，5、轴，6、拨杆，7、底板，8、弹簧挡圈，9、飞行物，10、轴安装孔，11、拨杆槽，12、定位销。

具体实施方式

如图1-图4所示的一种用角动量守恒定律测量飞行物体速度的装置，适用于实验室、企业生产中对飞行物体速度的简单测量，尤其可作为学校实验室实验设备，采用角动量守恒定律测量飞行物体的速度。

本实施例的一种用角动量守恒定律测量飞行物体速度的装置，包括底板7、支架1、摆杆4、轴5、拨杆、刻度盘3、指针2、弹簧挡圈8、飞行物9以及运算单元。

底板7安装在工作台上；支架1与底板7固定连接，且支架1的方向为倾斜向上；支架1为两根，且两根支架1相互平行；摆杆4设置在两支架1中间。

支架1的顶端具有与轴5适配的轴安装孔10；摆杆4通过定位销12与轴5固定连接，轴5安装在轴安装孔10内，且可绕支架1自由转动；支架1顶端具有与轴安装孔10同轴的弧形拨杆槽11；拨杆6为直角杆，其中拨杆6的一端与轴5固定，另一端穿入拨杆槽11，拨杆随轴5在拨杆槽6中灵活转动；轴5的两端通过滑动轴承支撑在所述支架1上。滑动轴承使摆杆4受到飞行物9的碰撞后能够尽量减小摩擦，提高装置测量的准确度。

刻度盘3与轴安装孔10同轴心固定在支架1上；指针2贴近刻度盘3固定在轴5上，弹簧挡圈8固定在指针2外的轴5的末端；拨杆6拨动指针2转动；刻度盘3上具有表示角度θ的刻度；可通过观察指针2与刻度盘3上重合的刻度测量摆杆4的摆动角度θ；

飞行物9为强磁性材料，与摆杆4碰撞后不反弹，且不打到摆杆4内，而是吸附在摆杆4的表面；飞行物9与摆杆4的碰撞为两个刚体之间的碰撞；飞行物9可通过手直接抛射，也可利用一发射装置发射。

摆杆4的横截面为矩形，所述飞行物9垂直打在所述摆杆4的侧面上，使所述摆杆4摆动。摆杆4摆动带动拨杆6转动，拨杆6转动带动指针2转动，指针2在刻度盘3上指示出测到的摆杆4的摆动角度θ，但当摆杆4再回竖直位置时指针2在它指示角度θ上是不动的，指针2通过人手动回零。

向运算单元输入飞行物9的质量m₀、摆杆4的质量m、摆杆4的底端距离轴5中心线的距离l、飞行物9与摆杆4的碰撞点距轴5中心线的距离a、以及摆杆4的摆动角度θ，运算单元根据角动量守恒定律计算出飞行物9的速度。其中运算单元可为计算器，电脑等可进行计算的设备。

根据图1说明飞行物体速度的计算方法，把测量过程分为两个阶段进行讨论：

第一阶段：飞行物打上摆杆并吸在摆杆上，并使摆杆获得初角速度。这一阶段时间极短，摆杆发生的偏转极小，可以认为仍处于竖直位置。考虑飞行物和摆杆所组成的系统，系统的外力为飞行物、摆杆所受重力及轴的支持力，但这些力对轴均无力矩，满足条件M＝0，故此阶段系统的角动量守恒。以摆杆转动的方向为正方向，飞行物打到并吸上摆杆前后，系统的角动量分别为

L₀＝m₀v₀a，L＝Jw

式中，为飞行物吸上摆杆后系统对轴的转动惯量。由L₀＝L得

m₀v₀a＝Jw(1)

第二阶段：飞行物随摆杆一起绕轴转动。以飞行物、摆杆和地球为系统，在第二阶段只有保守内力做功，因此系统的机械能守恒。选取摆杆在竖直位置时飞行物的位置为重力势能零点，系统在始末态的机械能分别为

$E_0=\frac{1}{2}{\mathrm{Jw}}^2+mg(a-\frac{l}{2})$

$E=m_{0}ga(1-cos\mathrm{\θ})+mg(a-\frac{l}{2}cos\mathrm{\θ})$

根据角动量守恒定律，由E₀＝E，则

$\frac{1}{2}{\mathrm{Jw}}^2+mg(a-\frac{l}{2})=m_{0}ga(1-cos\mathrm{\θ})+mg(a-\frac{l}{2}cos\mathrm{\θ})---\left(2\right)$

式(1)和(2)式联立，并代入J值，若θ＝30°可得

$v_0=\frac{1}{m_{0}a}\sqrt{\frac{2-\sqrt{3}}{6}(ml+2m_{0}a)({\mathrm{ml}}^2+3m_0{a}^2)g}---\left(3\right)$

与现有技术比较，本实用新型所述的用角动量守恒定律测量飞行物体速度的装置具有以下有益效果：结构简单，方便快捷、成本低廉。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用角动量守恒定律测量飞行物体速度的装置，其特征在于，包括底板、支架、摆杆、轴、拨杆、刻度盘、指针、弹簧挡圈、飞行物以及运算单元；

所述底板安装在工作台上；所述支架与所述底板固定连接，且所述支架的方向为倾斜向上；所述支架的顶端具有与所述轴适配的轴安装孔；

所述摆杆与所述轴固定连接，所述轴安装在所述轴安装孔内，且可绕所述支架自由转动；所述支架顶端具有与所述轴安装孔同轴的弧形拨杆槽；所述拨杆为直角杆，所述拨杆的一端与所述轴固定，另一端穿入所述拨杆槽，所述拨杆随所述轴在所述拨杆槽中灵活转动；

所述刻度盘与所述轴安装孔同轴心固定在所述支架上；所述指针贴近所述刻度盘固定在所述轴上；所述弹簧挡圈固定在所述指针外的轴的末端；

所述拨杆拨动所述指针转动；所述刻度盘上具有表示角度的刻度；可通过观察指针与刻度盘上重合的刻度测量摆杆的摆动角度；

所述飞行物为强磁性材料，与所述摆杆碰撞后不反弹，且不打到所述摆杆内，而是吸附在所述摆杆的表面；所述飞行物与所述摆杆的碰撞为两个刚体之间的碰撞；

向所述运算单元输入所述飞行物的质量m₀、摆杆的质量m、摆杆的底端距离轴中心线的距离l、所述飞行物与所述摆杆的碰撞点距所述轴中心线的距离a、以及摆杆的摆动角度θ，所述运算单元根据角动量守恒定律计算出所述飞行物的速度。

2.根据权利要求1所述的用角动量守恒定律测量飞行物体速度的装置，其特征在于，所述支架为两根，且两根所述支架相互平行；所述摆杆设置在两所述支架中间。

3.根据权利要求1所述的用角动量守恒定律测量飞行物体速度的装置，其特征在于，所述摆杆通过定位销与所述轴固定。

4.根据权利要求1所述的用角动量守恒定律测量飞行物体速度的装置，其特征在于，所述轴的两端通过滑动轴承支撑在所述支架上。

5.根据权利要求1所述的用角动量守恒定律测量飞行物体速度的装置，其特征在于，所述装置还包括发射所述飞行物的发射装置。

6.根据权利要求1所述的用角动量守恒定律测量飞行物体速度的装置，其特征在于，所述摆杆的横截面为矩形，所述飞行物垂直打在所述摆杆的侧面上，使所述摆杆摆动，摆杆摆动带动拨杆转动，拨杆转动带动指针转动，指针在刻度盘上指示出测到的摆杆的摆动角度。