CN205940870U - 一种多角度测量转动惯量的三线摆 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于转动惯量测量仪器领域，涉及一种多角度测量转动惯量的三线摆，所述上圆盘包括圆盘体、卡位球以及固定于支架上的圆盘体安装件；所述圆盘体在一端面的中心位置设有中心通孔，并且圆盘体从外表面沿径向方向开设有限位通孔；所述卡位球以可沿限位通孔的轴线方向移动的方式弹性固定于限位通孔中；所述圆盘体安装件带有与中心通孔相匹配的圆柱结构；所述圆柱结构的外表面沿轴向方向开设有若干个卡位槽；所述圆盘体通过中心通孔与圆柱结构的配合安装于圆盘体安装件上，并且在圆盘体安装于圆盘体安装件上时，限位通孔正好对准一个卡位槽，同时卡位球卡于卡位槽中。其能实现多角度控制及在多角度情况下进行转动惯量测量研究。
Description
技术领域
本实用新型属于转动惯量测量仪器领域，涉及多角度测量转动惯量的三线摆。
背景技术
目前国内外实验用测量物体转动惯量的装置一般有三线摆、扭摆、复摆等。其中，三线摆是通过扭转运动测定物体的转动惯量，其特点是物理图像清楚、操作简便易行、适合各种形状的物体，如机械零件、电机转子、枪炮弹丸、电风扇的风叶等的转动惯量都可用三线摆测定。这种实验方法在理论和技术上有一定的实际意义。
实验室中在用三线摆测量物体转动惯量时，因其实验公式的推导需要符合简谐振动条件，一般要求下悬盘的扭转角度小于5°。目前实验室控制转盘角度的方法有一下两种：1)在下盘上安装一挡棒，挡棒两边安装两根限位杆，通过限位杆控制下悬盘扭转角度在5°以内；2)在上圆盘加装挡棒和限位杆，通过限位杆控制上悬盘扭转角度小于5°，从而限制下悬盘转动角度小于5°。这两种方法角度控制原理清晰，但有以下缺点：1)上悬盘及下悬盘限位杆位置无法调节，从而使得实验只能在5°以内进行，缺乏多角度研究功能；2)下悬盘限位法使得实验者在转动上悬盘时比较难以控制操作。
实用新型内容
为解决上述技术问题，本实用新型提供一种多角度测量转动惯量的三线摆，其能实现多角度控制及在多角度情况下进行转动惯量测量研究。
为实现上述技术目的，本实用新型采取的具体的技术方案为，一种多角度测量转动惯量的三线摆，包括支架、安装于支架上的上圆盘以及与上圆盘通过悬线连接的下悬盘，所述上圆盘包括圆盘体、卡位球以及固定于支架上的圆盘体安装件；所述圆盘体在一端面的中心位置设有中心通孔，并且圆盘体从外表面沿径向方向开设有限位通孔；所述卡位球以可沿限位通孔的轴线方向移动的方式弹性固定于限位通孔中；所述圆盘体安装件带有与中心通孔相匹配的圆柱结构；所述圆柱结构的外表面沿轴向方向开设有若干个卡位槽；所述卡位槽的尺寸小于卡位球的直径；所述圆盘体通过中心通孔与圆柱结构的配合安装于圆盘体安装件上，并且在圆盘体安装于圆盘体安装件上时，限位通孔正好对准一个卡位槽，同时卡位球卡于卡位槽中。
作为本实用新型改进的技术方案，圆盘体安装件还包括用于支撑式连接圆盘体的连接端部与固定式安装于支架上的安装端部；所述连接端部与安装端部分别设置于圆柱结构轴向的两端，并且连接端部的尺寸大于中心通孔的尺寸。
作为本实用新型改进的技术方案，所述限位通孔向内的一端的开口尺寸小于卡位球的直径大于卡位槽的尺寸。
作为本实用新型改进的技术方案，所述圆盘体在开设有中心通孔位置的外表面设有刻度线。
作为本实用新型改进的技术方案，所述圆盘体安装件在开设有卡位槽位置的外表面设有刻度线。
作为本实用新型改进的技术方案，所述圆柱结构的外表面在卡位球所对应的平面开设有周向凹槽；所述周向凹槽的深度小于卡位槽的深度，周向凹槽的槽口大小小于卡位球的直径。
本实用新型的有益效果：
(1)本实用新型的三线摆在上圆盘上设置有多个卡位槽实现对上圆盘角度的控制，进而控制下悬盘的扭转角度，使得下悬盘的扭转角度不超过上圆盘的旋转角度，而相邻两个卡位槽间所对应的圆心角可小于5°，也可为大于5°。因此，本申请的三线摆能用于多角度的转动惯量的测量研究；另外，通过卡位槽与卡位球的设置，能够使得准确控制上圆盘的旋转角度，进而控制下悬盘的旋转角度。
(2)本申请的三线摆不仅能够有效完成小角度控制，同时能够对上圆盘进行多角度控制，能够用于在多角度情况下转动惯量测量研究。
附图说明
图1本实用新型的一种多角度测量转动惯量的三线摆的圆盘体安装件结构示意图；
图2本实用新型的一种多角度测量转动惯量的三线摆的圆盘体的结构示意图；
图3本实用新型的一种多角度测量转动惯量的三线摆的上圆盘整体结构示意图；
图4本实用新型的一种多角度测量转动惯量的三线摆的卡位槽与卡位球的组合示意图；
图中：1、圆盘体安装件；2、圆盘体；3、圆柱结构；4、卡位槽；5、限位通孔；6、卡位球；7、中心通孔。
具体实施方式
为使本实用新型实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本实用新型实施例的附图，对本实用新型实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本实用新型的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
本实用新型中所述的“内、外”的含义指的是相对于设备本身而言，指向设备内部的方向为内，反之为外，而非对本实用新型的装置机构的特定限定。
一种多角度测量转动惯量的三线摆，包括支架、安装于支架上的上圆盘以及与上圆盘通过悬线连接的下悬盘；如附图3所示所述上圆盘包括圆盘体2、卡位球6以及固定于支架上的圆盘体安装件1；如附图2所示所述圆盘体2在一端面的中心位置设有中心通孔7，并且圆盘体2从外表面沿径向方向开设有限位通孔5；所述卡位球6以可沿限位通孔5的轴线方向移动的方式弹性固定于限位通孔5中；在本实施例中，卡位球6安装于沿限位通孔5的轴线方向布置的弹簧上；如附图1所示所述圆盘体安装件1带有与中心通孔7相匹配的圆柱结构3；所述圆柱结构3的外表面沿轴向方向开设有若干个卡位槽4；若干个卡位槽4可以以等间距分布，并且相邻两个卡位槽4间所对应圆心角小于5°或等于5°；也可以不等间距分布，既相邻两个卡位槽4间隔处所对应的圆心角可为5°，也可为10°、15°、20°等，还可以部分为5°部分为10°、15°；所述卡位槽4的尺寸小于卡位球6的直径；如附图4所示所述圆盘体2通过中心通孔7与圆柱结构3的配合安装于圆盘体安装件1上，并且在圆盘体2安装于圆盘体安装件1上时，限位通孔5正好对准一个卡位槽4，同时卡位球6卡于卡位槽4中。转动圆盘体2，弹性元件被压缩，卡位球6可以从一个卡位槽4转动到相邻的一个卡位槽4中，进而实现控制上圆盘扭角的控制。
作为本实用新型改进的技术方案，圆盘体安装件1还包括用于支撑式连接圆盘体2的连接端部与固定式安装于支架上的安装端部；所述连接端部与安装端部分别设置于圆柱结构3轴向的两端，并且连接端部的尺寸大于中心通孔7的尺寸，以保证圆盘体2能悬挂式安装于圆盘体安装件1上。
为了使得卡位球6从限位通孔5中凸出而不掉落，所述限位通孔5向内的一端的开口尺寸小于卡位球6的直径大于卡位槽4的尺寸。
为了便于直观看出上圆盘的扭转角，所述圆盘体2在开设有中心通孔7位置的外表面设有刻度线；所述圆盘体安装件1在开设有卡位槽4位置的外表面设有刻度线。
作为本实用新型改进的技术方案，所述圆柱结构3的外表面在卡位球6所对应的平面开设有周向凹槽；所述周向凹槽的深度小于卡位槽4的深度，周向凹槽的槽口大小小于卡位球6的直径。
效果测试
一、小角度测量及小角度情况下转动惯量测量研究
角度测量
原始实验仪器在测量时，并无角度控制功能，小角度的控制是通过转动时的人为控制来实现的，存在较多不确定因素。改进后角度控制通过上圆盘的扭转角度进行控制，在上圆盘旋转角度为5°时，对下悬盘扭转角度进行多次测量并对数据进行记录，测量结果如表1所示。
表1三线摆下悬盘扭角测量数据
| 测量序号 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 |
| 悬盘扭角 | 4.9 | 4.8 | 4.8 | 4.8 | 4.7 | 4.8 | 4.6 | 4.7 | 4.7 | 4.8 |
测量过程中小数点后第一位为估读部分，从表中数据可以看出，当上圆盘旋转角度为5°的情况下，悬盘的扭角不超过5°，满足小角度条件下的转动惯量测量。
算例
本算例中，取一圆环进行多次实验并比较。三线摆基础数据如表2所示，长度数据通过6次测量取平均获得，周期测量通过光电门进行三次测量获得，每次测量取50周期，测量过程中通过控制上圆盘的扭转角为5°进而控制下悬盘转动角度，重力加速度取9.795m/s2(实验地点南京)。
表2三线摆基础数据
表中其中a和b为上圆盘和悬盘三个对称悬点之间的距离，J下悬盘根据公式(1)带入相应数据进行计算。
按要求放置圆环于悬盘上，分别进行数据测量，同时对圆环理论值所需数据进行相应测量，测量及计算数据如表3所示。
表3同一圆环多次测量实验数据及误差
表中R外、R内、M为圆环外、内直径及质量多次测量平均值，圆环实验值的计算公式为：J实验值＝J1-J0，式中理论值得计算公式为：式中R外为圆环外半径，R内为圆环内半径，百分误差的计算公式为
通过表3中的测量数据、计算结果及误差结果来看，同一圆环在角度控制下的多次实验中百分误差及平均误差都在2.0％以内，通过改进的三线摆符合测量精度要求，且角度控制操作较原始仪器简单、有效。
二、多角度控制方案
将上圆盘的扭转角度分别调设为10°、15°、20°、25°、30°，由此可控制下悬盘在实验过程中的扭角分别在上述角度范围左右进行摆动，从而完成三线摆在角度大于5°时的多角度控制及周期测量。
算例
实验通过测量圆环的转动惯量来进行研究，其中周期测量次数及其他数据测量与小角度测量算例一样，三线摆基础数据如表2所示，通过测量及计算，三线摆在多角度控制情况下的数据如表4所示。
表4大角度情况下三线摆实验数据
式中扭角范围存在较小误差，实际测量中扭角大小均比所标角度略小，但基本接近。R外、R内。
因此，本申请的一种多角度测量转动惯量的三线摆可进行多角度下的转动惯量的测量。
以上仅为本实用新型的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本实用新型的保护范围。
Claims (6)
1.一种多角度测量转动惯量的三线摆，包括支架、安装于支架上的上圆盘以及与上圆盘通过悬线连接的下悬盘，其特征在于，所述上圆盘包括圆盘体、卡位球以及固定于支架上的圆盘体安装件；所述圆盘体在一端面的中心位置设有中心通孔，并且圆盘体从外表面沿径向方向开设有限位通孔；所述卡位球的尺寸与限位通孔的尺寸匹配，并且卡位球以可沿限位通孔的轴线方向移动的方式弹性固定于限位通孔中；所述圆盘体安装件带有与中心通孔相匹配的圆柱结构；所述圆柱结构的外表面沿轴向方向开设有若干个卡位槽；所述卡位槽的尺寸小于卡位球的直径；所述圆盘体通过中心通孔与圆柱结构的配合安装于圆盘体安装件上，并且在圆盘体安装于圆盘体安装件上时，限位通孔正好对准一个卡位槽，同时卡位球卡于卡位槽中。
2.根据权利要求1所述的一种多角度测量转动惯量的三线摆，其特征在于，圆盘体安装件还包括用于支撑式连接圆盘体的连接端部与固定式安装于支架上的安装端部；所述连接端部与安装端部分别设置于圆柱结构轴向的两端，并且连接端部的尺寸大于中心通孔的尺寸。
3.根据权利要求1所述的一种多角度测量转动惯量的三线摆，其特征在于，所述限位通孔向内的一端的开口尺寸小于卡位球的直径大于卡位槽的尺寸。
4.根据权利要求1所述的一种多角度测量转动惯量的三线摆，其特征在于，所述圆盘体在开设有中心通孔位置的外表面设有刻度线。
5.根据权利要求1所述的一种多角度测量转动惯量的三线摆，其特征在于，所述圆盘体安装件在开设有卡位槽位置的外表面设有刻度线。
6.根据权利要求1所述的一种多角度测量转动惯量的三线摆，其特征在于，所述圆柱结构的外表面在卡位球所对应的平面开设有周向凹槽；所述周向凹槽的深度小于卡位槽的深度，周向凹槽的槽口大小小于卡位球的直径。
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