CN205984039U - 理论力学教具 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出了理论力学教具，包括测力装置和测应变装置；测力装置由第一主杆件、第一活塞杆、压缩弹簧、第一连接臂及第一副杆件构成；第一活塞杆的活塞端设置在第一主杆件内，第一活塞杆的活塞端与第一主杆件密封配合，第一主杆件的内腔与第一活塞杆之间设有压缩弹簧，第一主杆件的前端与第一连接臂的前端连接；第一副杆件的一端通过第一导管与第一主杆件的内腔连通，第一主杆件的内腔充满液体，第一副杆件上设有测力标尺；测应变装置由第一主杆件、第一活塞杆及第一副杆件构成，其各个部件的连接关系与测力装置相同，其中第二主杆件内没有压缩弹簧。该教具能同时测量受力和应变量，精确反映力的大小和应变量，造价低廉、成本低、结构简单。

Description

理论力学教具

技术领域

本实用新型涉及一种教学用具，尤其是理论力学教具。

背景技术

力学是一门独立的基础学科，是有关力、运动和介质（固体、液体、气体是撒旦和等离子体），宏、细、微观力学性质的学科，研究以机械运动为主，及其同物理、化学、生物运动耦合的现象。力学是一门基础学科，同时又是一门技术学科。它研究能量和力以及它们与固体、液体及气体的平衡、变形或运动的关系。力学可区分为静力学、运动学和动力学三部分，静力学研究力的平衡或物体的静止问题；运动学只考虑物体怎样运动，不讨论它与所受力的关系；动力学讨论物体运动和所受力的关系。现代的力学实验设备，诸如大型的风洞、水洞，它们的建立和使用本身就是一个综合性的科学技术项目，需要多工种、多学科的协作。

力学作为工科基础学科，几乎所有工科院系都开设了这门课程。但是目前市场上并没有相对应的教具，而且理论力学课程比较枯燥难懂，没有教具的辅助更是难上加难。

市面上的仪器一般都是单独测量应变或受力的，并且需要复杂和昂贵的设备配套使用。目前，测量应变和受力的显示结果都是通过数字屏幕显示出来，这种方法作为教具来说不够直观，不能起到很好的教学效果；测量应变的电阻应变片或者光纤光栅需要贴在待测物体侧面，通过电脑和频谱分析仪等设备才能测出应变，压力传感器需要贴在受力元件一端并且要配合单片机才能得出结果。

发明内容

本实用新型提出理论力学教具，反应了理论力学最核心的问题即力的大小与力的方向还有应变大小，具有推广意义。

为了解决上述技术问题，本实用新型的技术方案：理论力学教具，包括测力装置，测力装置由第一主杆件、第一活塞杆、压缩弹簧、第一连接臂及第一副杆件构成；第一主杆件为大筒体，第一活塞杆的活塞端设置在第一主杆件内，第一活塞杆的活塞端与第一主杆件密封配合，第一主杆件的内腔与第一活塞杆之间设有压缩弹簧，第一主杆件的前端与第一连接臂的前端连接；第一副杆件为小筒体，第一副杆件的一端通过第一导管与第一主杆件的内腔连通，第一主杆件的内腔充满液体，第一副杆件上设有测力标尺；其特征在于：还包括测应变装置，测应变装置由第二主杆件、第二活塞杆、第二连接臂及第二副杆件构成；第二主杆件为大筒体，第二活塞杆的活塞端设置在第二主杆件内，第二活塞杆的活塞端与第二主杆件密封配合，第二主杆件的前端与第二连接臂的前端连接；第二副杆件为小筒体，第二副杆件的一端通过第二导管与第二主杆件的内腔连通，第二主杆件的内腔充满液体，第二副杆件上设有应变标尺；所述第一活塞杆及第二活塞杆的外端与受力主体的一端面连接、第一连接臂及第二连接臂的尾端与固定支座的一端面连接。

有益效果：本实用新型分为两个部分：1.测力装置中的第一副杆件能将压缩弹簧伸缩量放大；利用第一主杆件和第一副杆件的容器直径差和液体体积不变原则，将液面高度差放大，反映出力的精确变化； 2.测应变装置利用第二主杆件和第二副杆件的容器直径差和液体体积不变原则，将液面高度差放大，反映出压缩弹簧的精确变化量；3. 测力装置和测应变装置组合在一起使用，能同时测量受力和应变量，并进一步地提高了测量精度；4.本实用新型不但能精确反映力的大小和应变量，还有造价低廉、成本低、结构简单的优点。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。

具体实施方式

胡克定律（Hooke's law），又译为虎克定律，是力学弹性理论中的一条基本定律，表述为：固体材料受力之后，材料中的应力与应变（单位变形量）之间成线性关系。满足胡克定律的材料称为线弹性或胡克型（英文Hookean）材料。胡克定律的表达式为F=k·x或△F=k·Δx，其中k是常数，是物体的劲度（倔强）系数。在国际单位制中，F的单位是牛，x的单位是米，它是形变量（弹性形变），k的单位是牛/米。倔强系数在数值上等于弹簧伸长（或缩短）单位长度时的弹力。

根据胡克定律设计出一个结构简单的理论力学教具，其结构为：如图1所示，包括测力装置，测力装置由第一主杆件1、第一活塞杆2、压缩弹簧3、第一连接臂4及第一副杆件5构成；第一主杆件1为大筒体，第一活塞杆2的活塞端设置在第一主杆件1内，第一活塞杆2的活塞端与第一主杆件1密封配合，第一主杆件1的内腔与第一活塞杆2之间设有压缩弹簧3，第一主杆件1的前端与第一连接臂4的前端固定连接；活动的第一副杆5件为小筒体，第一副杆件5的一端通过第一导管6与第一主杆件1的内腔连通，第一主杆件1的内腔充满液体，第一副杆件5上设有测力标尺7，测力标尺7为刻度尺；还包括测应变装置，测应变装置由第二主杆件8、第二活塞杆9、第二连接臂10及第二副杆件11构成；第二主杆件8为大筒体，第二活塞杆9的活塞端设置在第二主杆件8内，第二活塞杆9的活塞端与第二主杆件8密封配合，第二主杆件8的前端与第二连接臂10的前端固定连接；活动的第二副杆件11为小筒体，第二副杆件11的一端通过第二导管12与第二主杆件8的内腔连通，第二主杆件8的内腔充满液体，第二副杆件11上设有应变标尺13，变标尺13均为刻度尺；所述第一活塞杆2及第二活塞杆9的外端与受力主体14的一端面固定连接，受力主体14与受力装置连接后，能对第一活塞杆2及第二活塞杆9施加压力；所述第一连接臂4及第二连接臂10的尾端与固定支座15的一端面固定连接；测力装置和测应变装置通过受力主体14、固定支座15装配成一体式结构后呈对称设置。

该教具分为两个部分：1.测力装置中的第一主杆件可以承受较大的拉压力；第一副杆件是实现放大的装置，既可以通过液面的上升与下降，通过刻度比较精确地展示出力的大小；受力主体施加压力后，第一主杆件中的液体受力挤压，受力挤压溢出的液体通过导管进入第一副杆件内，液体受压体积不变，第一副杆件横截面小于第一主杆件，所以第一副杆件液面上升距离远大于第一主杆件下降距离，从而可以精确测出弹簧压缩量，计算出力。2.测应变装置与测力装置的最大区别是第二主杆件内没有压缩弹簧，受力主体施加压力后，第二主杆件内的液体会随之压缩，没有回弹力，第二主杆件内的液体压入第二副杆件内，通过第二主杆件与第二副杆件的横截面积之差来实现放大液面的位移差，从而可以精确测量教具的应变。

在工作原理方面，由于测力装置内的压缩弹簧受压形变较小，难以直观的向我们展示出力的大小，我们即采用了放大原理，将无受力的压缩弹簧固定在30ml的第一主杆件内，第一主杆件中注满水并排除其内的气泡以保证精确度，然后再将第一主杆件的导出端与第一副杆件相连接，第一副杆件上设有一个简单的由刻度尺改装的测力标尺，第一主杆件排除水的体积和第一副杆件内进入水的体积相同，只需要记录第一副杆件中的初始液面高度就可以直接读出第一主杆件的受力大小，更加直观和方便。实验过程中比较重要的一点就是要保证放大装置的水平度，越水平，实验结果越精确。测应变装置工作原理与测力装置类似，这里不重复赘述了。

运动分析及计算:1.采用1.5WN每米的压缩弹簧，第一主杆件为1cm/1.5ml ，第一副杆件为1cm/0.1ml，第一副杆件能将读数放大15倍；第一主杆件的行程为1mm，第一副杆件的行程为15cm，测力范围为0~150N，当第一活塞杆承受100N的力时，第一、第二两个活塞杆同时下降0.7mm，将第一主杆件中的液体压入1.5ml至第一副杆件中，第一主杆件中的液面下降0.6mm，第一副杆件中的液面上升70.7mm，测力标尺的读数为70.7N，即测力值为70.7N。2.第二主杆件为1cm/1.5ml ，第二副杆件为1cm/0.1ml，第二副杆件能将读数放大15倍；当受力时，第二主杆件内的液体会压缩，将第二主杆件中的液体压入1.5ml至第二副杆件中，第二主杆件内的液面下降0.6mm，第二副杆件内的液面上升70.7mm ，应变标尺读数为0.6mm，即变形量为0.6mm。

Claims (1)

1.理论力学教具，包括测力装置，测力装置由第一主杆件、第一活塞杆、压缩弹簧、第一连接臂及第一副杆件构成；第一主杆件为大筒体，第一活塞杆的活塞端设置在第一主杆件内，第一活塞杆的活塞端与第一主杆件密封配合，第一主杆件的内腔与第一活塞杆之间设有压缩弹簧，第一主杆件的前端与第一连接臂的前端连接；第一副杆件为小筒体，第一副杆件的一端通过第一导管与第一主杆件的内腔连通，第一主杆件的内腔充满液体，第一副杆件上设有测力标尺；其特征在于：还包括测应变装置，测应变装置由第二主杆件、第二活塞杆、第二连接臂及第二副杆件构成；第二主杆件为大筒体，第二活塞杆的活塞端设置在第二主杆件内，第二活塞杆的活塞端与第二主杆件密封配合，第二主杆件的前端与第二连接臂的前端连接；第二副杆件为小筒体，第二副杆件的一端通过第二导管与第二主杆件的内腔连通，第二主杆件的内腔充满液体，第二副杆件上设有应变标尺；所述第一活塞杆及第二活塞杆的外端与受力主体的一端面连接、第一连接臂及第二连接臂的尾端与固定支座的一端面连接。