多狀態(tài)運動研究裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于動力學研究的軌道?；h(huán)在豎直平面圓周運動難以演示，本發(fā)明提出一種多狀態(tài)運動研究裝置，可以用于研究、觀察滑環(huán)的運動。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：多狀態(tài)運動研究裝置，其特征是：由直線軌道和兩段圓弧軌道依序連接，并且由設置在同一平面的攝像頭進行拍攝。本發(fā)明可以實現(xiàn)多種實驗的演示和研究。
【專利說明】多狀態(tài)運動研究裝置
[0001]本申請是申請?zhí)枮?2013103299735、申請日為:2013年8月I日、發(fā)明創(chuàng)造名稱為:多狀態(tài)運動研究裝置的發(fā)明申請的分案申請。

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明涉及一種用于動力學研究、演示用的軌道。

【背景技術(shù)】
[0003]動力學研究有時候會涉及環(huán)狀物體的圓周運動，而且，該環(huán)狀物體套設于圓形軌道(即:受圓形軌道的約束)，且圓形軌道所屬平面為豎直平面，可是，現(xiàn)有研究大多是理論研究，缺少相關(guān)的裝置用于研究這種運動。所述環(huán)狀物體，被命名為滑環(huán)，其為圓環(huán)狀。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出一種多狀態(tài)運動研究裝置，本發(fā)明可以用于研究、觀察滑環(huán)的運動，包括接觸情況、運動的分解情況。
[0005]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:多狀態(tài)運動研究裝置，包括:底座4，第一門形支架21，第二門形支架22，滑桿31，攝像頭32，第一軌道11，第二軌道12，第三軌道13，套設于所述軌道、用于沿著軌道滑動的滑環(huán)5，其特征是:
第一軌道11為傾斜的直線軌道，第二軌道12為圓弧形軌道，第三軌道13為圓弧形軌道，
第一軌道11、第二軌道12、第三軌道13平滑、固定連接形成軌道整體，且第一軌道11、第二軌道12、第三軌道13處于同一個豎直平面，
第一軌道11的低端和第二軌道12連接，第二軌道12為凹弧形軌道，第三軌道13和第二軌道12連接，第三軌道13為凸弧形軌道，
第二軌道12相對于第二軌道12的最低點水平對稱，第三軌道13相對于第三軌道13的最聞點水平對稱，
第一門形支架21的下端固定連接于底座4，第一門形支架21所屬上桿的中點固定連接軌道整體，第二門形支架22的下端固定連接于底座4，第二門形支架22所屬上桿的中點固定連接軌道整體，且第一門形支架21、第二門形支架22分居在軌道整體兩端:第一門形支架21和第一軌道11外端連接，第二門形支架22和第三軌道13外端連接，
經(jīng)過第二門形支架22最高點的水平線介于:第二軌道12最低點和第三軌道13最高點之間，
滑桿31垂直于底座4，且和底座4固定連接，滑桿31和第三軌道13處于同一個豎直平面，且滑桿31、第一門形支架21、第二門形支架22的水平位置關(guān)系為:滑桿31和第一門形支架21之間有第二門形支架22，
滑桿31設有沿滑桿31上下滑動的攝像頭32。
[0006]所述第一門形支架21所屬上桿是直桿，且平行于底座4，所述第二門形支架22所屬上桿是直桿，且平行于底座4。
[0007]還包括:在第三軌道13和第二門形支架22之間設置的緩沖塊6。
[0008]所述滑環(huán)5的質(zhì)心位置屬于其直徑，且質(zhì)心距圓心的長度為:滑環(huán)外徑的四分之一至二分之一。
[0009]所述第一軌道11還包括用于反映長度的刻度。
[0010]本發(fā)明為動力學研究裝置提出一種新的技術(shù)方案。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1為本發(fā)明的正視圖。
[0012]圖2為本發(fā)明的俯視圖。
[0013]圖中11-第一軌道，12-第二軌道，13-第三軌道，21-第一門形支架，22-第二門形支架，31-滑桿，32-攝像頭，4-底座，5-滑環(huán)，6-緩沖塊。

【具體實施方式】
[0014]下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明的設計和使用進一步說明。
[0015]參見附圖1，是本發(fā)明的正視圖，附圖2是本發(fā)明的俯視圖，這兩幅附圖表示了本發(fā)明的結(jié)構(gòu):多狀態(tài)運動研究裝置，包括:底座4，第一門形支架21，第二門形支架22，滑桿31，攝像頭32，第一軌道11，第二軌道12，第三軌道13，套設于所述軌道、用于沿著軌道滑動的滑環(huán)5，其特征是:
第一軌道11為傾斜的直線軌道，第二軌道12為圓弧形軌道，第三軌道13為圓弧形軌道，
第一軌道11、第二軌道12、第三軌道13平滑、固定連接形成軌道整體，且第一軌道11、第二軌道12、第三軌道13處于同一個豎直平面，
第一軌道11的低端和第二軌道12連接，第二軌道12為凹弧形軌道，第三軌道13和第二軌道12連接，第三軌道13為凸弧形軌道，
第二軌道12相對于第二軌道12的最低點水平對稱，第三軌道13相對于第三軌道13的最聞點水平對稱，
第一門形支架21的下端固定連接于底座4，第一門形支架21所屬上桿的中點固定連接軌道整體，第二門形支架22的下端固定連接于底座4，第二門形支架22所屬上桿的中點固定連接軌道整體，且第一門形支架21、第二門形支架22分居在軌道整體兩端:第一門形支架21和第一軌道11外端連接，第二門形支架22和第三軌道13外端連接，
經(jīng)過第二門形支架22最高點的水平線介于:第二軌道12最低點和第三軌道13最高點之間，
滑桿31垂直于底座4，且和底座4固定連接，滑桿31和第三軌道13處于同一個豎直平面，且滑桿31、第一門形支架21、第二門形支架22的水平位置關(guān)系為:滑桿31和第一門形支架21之間有第二門形支架22，
滑桿31設有沿滑桿31上下滑動的攝像頭32。
[0016]本發(fā)明可以是這樣的:所述第一門形支架21所屬上桿是直桿，且平行于底座4，所述第二門形支架22所屬上桿是直桿，且平行于底座4。
[0017]本發(fā)明還可以是這樣的:還包括:在第三軌道13和第二門形支架22之間設置的緩沖塊6。
[0018]本發(fā)明還可以是這樣的:所述滑環(huán)5的質(zhì)心位置屬于其直徑，且質(zhì)心距圓心的長度為:滑環(huán)外徑的四分之一至二分之一。
[0019]本發(fā)明還可以是這樣的:所述第一軌道11還包括用于反映長度的刻度。
[0020]接下來對發(fā)明做進一步的解釋:
攝像頭屬于現(xiàn)有技術(shù)，相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)人員應當知曉:1，利用電腦或者電視機或者投影儀可以把攝像頭拍攝的畫面顯示出來。2，處理攝像頭拍攝的畫面，可以獲悉被攝像物體的位置，從而獲悉速度、加速度等物理量。3，攝像頭具有一定的視角，還有一些攝像頭的視角可調(diào)。
[0021]滑桿31設有沿滑桿31上下滑動的攝像頭32，這是相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)人員不經(jīng)過創(chuàng)造性勞動就可以實現(xiàn)的，比如用卡子固定，比如用繩子捆綁，比如用橡皮筋捆綁，這樣操作有兩個好處:1，便于改變攝像頭32在滑桿31的位置，2，若需要固定攝像頭32的位置，也容易固定。
[0022]門形支架由三根桿組成，兩根平行，第三根(被命名為上桿)和另外兩根垂直，在本發(fā)明中，底座4的位置為最下方，門形支架的兩根平行桿和底座固定連接，門形支架所屬的上桿用于連接軌道。
[0023]凸弧形軌道的形狀也被稱為拱橋的形狀，是向上方凸起的弧形。
[0024]凹弧形軌道:凸弧形拱橋在水中的倒影形狀就是凹弧形。
[0025]相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)人員應當知曉本發(fā)明所述的軌道適宜使用截面為圓形的材料制作。比如用截面為圓形的鋼筋制成本發(fā)明所述的軌道，并且盡可能減少摩擦。
[0026]第一軌道(11 )、第二軌道(12)、第三軌道(13)平滑、固定連接形成軌道整體，這句話的意思是:連接處不要有棱角。棱角會嚴重影響滑環(huán)的運動?？梢杂靡桓摻钪茝澇绍壍勒w，就可以很好的保證平滑。如果用三根鋼筋分別制作軌道，然后焊接、打磨，很浪費時間，并且加工精度也很難得到保證。
[0027]使用方法可以是這樣的:
調(diào)整攝像頭32在滑桿31的高度，使攝像頭32拍攝的中心位置對著第三軌道13的最聞點，
然后，把滑環(huán)5從第一軌道11的某個位置釋放，
若滑環(huán)5經(jīng)過第三軌道13最高點時速度較小，可以看到:滑環(huán)5中間孔的上部分接觸了第三軌道13，若滑環(huán)5經(jīng)過第三軌道13最高點時速度較大，可以看到:滑環(huán)5中間孔的下部分接觸了第三軌道13，若滑環(huán)5經(jīng)過第三軌道13最高點時速度為某一速度時，可以看到:滑環(huán)5中間孔和第三軌道13沒有接觸。接觸反映了彈力的方向。對第三軌道13最高點而言，滑環(huán)5不接觸第三軌道最高點的速度大小是和第三軌道13的半徑、當?shù)刂亓铀俣扔嘘P(guān)-------這是相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)人員應當知曉的理論知識。
[0028]實驗操作者可以改變滑環(huán)5在第一軌道11的釋放位置，從而改變滑環(huán)5的初始勢能，從而改變滑環(huán)5經(jīng)過第三軌道13最高點的速度。
[0029]使用方法可以是這樣的:
調(diào)整攝像頭32在滑桿31的高度，使攝像頭32拍攝的中心位置對著第二軌道12的最低點，
然后，把滑環(huán)5從第一軌道11的某個位置釋放，
可以觀察滑環(huán)5和第二軌道的接觸情況。
[0030]使用方式可以是這樣的:
調(diào)整攝像頭32在滑桿31的高度，使攝像頭32拍攝的畫面包括第三軌道13的最高點和最低點，
然后，把滑環(huán)5從第一軌道11的某個位置釋放，
可以觀察滑環(huán)5在受到第三軌道13約束時的豎直速度如何變化?；瑮U31、第一軌道11、第二軌道12、第三軌道13都是同一個豎直平面，所以，攝像頭拍攝的畫面相當于側(cè)視圖，攝像頭“看到的”速度，是滑環(huán)5的豎直速度。因為攝像頭有一定的視角(或成為拍攝角度的范圍)，所以，計算滑環(huán)5豎直速度時，要考慮到視角造成的影響。
[0031]使用方式可以是這樣的:
調(diào)整攝像頭32在滑桿31的高度，使攝像頭32拍攝的畫面包括第二軌道12的最高點和最低點，
然后，把滑環(huán)5從第一軌道11的某個位置釋放，
可以觀察滑環(huán)5在受到第二軌道12約束時的豎直速度如何變化。
[0032]使用方法可以是這樣的:
調(diào)整攝像頭32在滑桿31的高度，使攝像頭32拍攝的畫面包括第二軌道12的最高點和最低點，
然后，把滑環(huán)5從第一軌道11的某個位置釋放，
可以觀察滑環(huán)5在受到第二軌道12約束時的豎直速度如何變化。
[0033]使用方法可以是這樣的:
調(diào)整攝像頭32在滑桿31的高度，使攝像頭32拍攝的畫面包括要研究的軌道，
然后，把滑環(huán)5從第一軌道11的某個位置釋放，
可以觀察滑環(huán)5在受到第二軌道12約束時的水平速度如何變化。因為攝像頭有一定的視角，所以，根據(jù)滑環(huán)5顯示在畫面的大小就可以判斷水平速度變化情況。
[0034]使用方法還可以是這樣的:
把拍攝的畫面輸入到相關(guān)信號處理儀器中，輸入相關(guān)物理量，由信號處理儀器計算速度、水平速度、豎直速度、加速度等物理量。
[0035]使用方法還可以是這樣的:
因為第一門形支架21所屬上桿是直桿，所以，可以利用該直桿固定連接其他實驗儀器，比如連接一個和底座4平行的桿，然后，桿上固定一個攝像裝置，就可以換個視角用來研究滑環(huán)的運動情況。
[0036]使用方法還可以是這樣的:
減小攝像頭拍攝的畫面播放速度，就可以更仔細的觀察滑環(huán)的運動。
[0037]使用方法還可以是這樣的:
在滑桿31套設運動傳感器(運動傳感器是現(xiàn)有技術(shù)，利用超聲波探測和運動有關(guān)物理量，比如距離、速度、加速度)，就可以用來繪制滑環(huán)5的速度-時間圖象、(注:圖象也被寫為圖像。)加速度-時間圖象。這樣探測的速度，非常近似于水平速度。
[0038]對于相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)專家來說，上述運動情況是容易通過理論分析得到的，但是，對于動力學理論的初學者而言，很難見到某些現(xiàn)象，比如:若滑環(huán)5經(jīng)過第三軌道13最高點時速度較小，可以看到:滑環(huán)5中間孔的上部分接觸了第三軌道13，若滑環(huán)5經(jīng)過第三軌道13最高點時速度較大，可以看到:滑環(huán)5中間孔的下部分接觸了第三軌道13，若滑環(huán)5經(jīng)過第三軌道13最高點時速度為某一速度時，可以看到:滑環(huán)5中間孔和第三軌道13沒有接觸。
[0039]利用本發(fā)明，可以用于演示、研究一些動力學問題，并且演示方法可以做多種變化。若將其作為教學用具，可以為初學者提供很好的感性認識。
[0040]經(jīng)過第二門形支架22最高點的水平線介于:第二軌道12最低點和第三軌道13最高點之間。原因是:攝像頭可以拍攝第三軌道13和第二軌道12。倘若經(jīng)過第二門形支架22最高點的水平線和第三軌道13最高點相同的水平高度，攝像頭就不能拍攝到滑環(huán)在第三軌道13最高點的運動情況。
[0041]第二軌道12相對于第二軌道12的最低點水平對稱，第三軌道13相對于第三軌道13的最高點水平對稱，其理由為:便于在視頻圖像中確定軌道的起始點。對已經(jīng)確定的軌道來說，確定起始點就是確定軌跡，對動力學研究來說，確定起始點是非常重要的。
[0042]在本發(fā)明中，采用門形支架來支撐軌道，而不是采用一根豎直桿來支撐的理由為:1，如果采用豎直桿，那么，攝像頭拍攝到的畫面就會被豎直桿遮擋。采用門形支架，就不會遮擋攝像頭拍攝滑環(huán)。2，門形支架具有兩根固定在底座的桿，采用這樣的設計非常有必要，因為滑環(huán)沿著桿滑動的時候，滑環(huán)迅速改變速度，對軌道的沖擊較大，所以，需要很好的固定。3，門形支架具有豎直桿和水平桿，便于固定其他裝置，這樣的設計，對研究者或者教師來說，就留下了很多可擴展的空間，比如:便于利用門形支架加裝用來探測豎直速度的運動傳感器。
[0043]有必要解釋的是:水平速度指速度的水平分量，豎直速度指速度的豎直分量。意思是把速度分解成水平、豎直方向。
[0044]第一門形支架21、第二門形支架22分居在軌道整體兩端:第一門形支架21和第一軌道11外端連接，第二門形支架22和第三軌道13外端連接。這句話是這個意思:如果支架不在軌道兩端，而在滑環(huán)5經(jīng)過的路徑，那么門形支架就會擋住滑環(huán)5，所以，門形支架應當架設在軌道整體的兩端。
[0045]在第三軌道13和第二門形支架22之間還設置有緩沖塊6。這句話是這個意思:滑環(huán)5從第一軌道11運動到第二軌道12，再運動到第三軌道13，最終還是要停下的，為了防止滑環(huán)5猛烈撞擊門形支架，可以用海綿做成一個緩沖塊。
[0046]另外，緩沖塊還具有這樣的用途:滑環(huán)5碰撞到緩沖塊6后，不可避免反彈運動，本發(fā)明還可以用來研究或者演示反彈后的速度如何變化。
[0047]還需要解釋的有:
演示并觀察到這三種現(xiàn)象屬于技術(shù)難題。這三種現(xiàn)象是:
若滑環(huán)5經(jīng)過第三軌道13最高點時速度較小，可以看到:滑環(huán)5中間孔的上部分接觸了第三軌道13 ；
若滑環(huán)5經(jīng)過第三軌道13最高點時速度較大，可以看到:滑環(huán)5中間孔的下部分接觸了第三軌道13 ；
若滑環(huán)5經(jīng)過第三軌道13最高點時速度為某一特定速度時，可以看到:滑環(huán)5中間孔和第三軌道13沒有接觸。
[0048]以往尚沒有裝置(或者教具)能很好的反映此類現(xiàn)象。本發(fā)明較好的解決了技術(shù)難題:1、利用第一軌道11確定勢能大小，可以保證每次的初勢能一樣大；2、利用第二軌道12改變滑環(huán)5運動方向，使從第一軌道11運動的滑塊5經(jīng)過第二軌道12的改變(或稱為約束)，即從直線運動變?yōu)榍€運動。
[0049]如上段所述，為什么不把第一軌道11和第三軌道13直接連接呢？理由為:
1，第一軌道11和第三軌道13在實際加工的時候，很難平滑連接，
2，倘若用了很先進的工藝，把第一軌道11和第三軌道13連接，即使做的很平滑，也存在一個問題:速度的損失。什么是速度的損失呢？舉個例子來說:一個斜面和一個水平面相接，一個物體自斜面下滑至水平面，這個物理情景的實際情況是很復雜的:物體沿著斜面下滑，具有和斜面相同方向的速度方向，該速度可以分解為水平方向的速度和豎直方向的速度，物體觸碰到水平面，就會損失豎直方向的速度。換句話說，把第一軌道11和第三軌道13連接，很容易發(fā)生這種速度的損失，也可以稱為動能的損失，那是因為滑環(huán)本身有一定的厚度，滑環(huán)在從第一軌道直接到第三軌道的時候不可以視為質(zhì)點。
[0050]3，利用第二軌道12作為第一軌道和第三軌道的銜接，因為水平距離增大了，不但易于平滑連接，而且，滑環(huán)本身厚度能夠被忽略，由此損失的動能幾乎可以不考慮，并且第二軌道12作為動力學常常研究的軌跡形式，也在本發(fā)明中被得以研究或演示。
[0051]實驗發(fā)現(xiàn)，滑環(huán)5從第二軌道12向第三軌道13過度的時候，滑環(huán)5所在的平面常常偏離豎直平面，經(jīng)過實驗發(fā)現(xiàn)，倘若滑環(huán)的質(zhì)心(也常常被稱為重心)和圓心重合，50次實驗，只有18次較為理想，所謂較為理想是指:滑環(huán)5所在的平面和豎直平面的夾角小于10度。這對于演示實驗來說，是很糟糕的事情。
[0052]為什么要追求滑環(huán)5所在的平面和豎直面重合呢？因為要測定速度、位置等物理量，有時候要借助滑環(huán)的大小作為中間值計算(比如將滑環(huán)尺寸作為比例尺獲知位置的變化情況)，滑環(huán)偏離豎直面，由此造成滑環(huán)在圖片(或者畫面、視頻)中的大小發(fā)生改變，這對實驗來說是不利因素。
[0053]為此，本發(fā)明提出技術(shù)手段為:所述滑環(huán)5的質(zhì)心位置屬于其直徑，且質(zhì)心距圓心的長度為:滑環(huán)外徑的四分之一至二分之一。相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)人員應當能夠理解，質(zhì)心低，會使穩(wěn)定性增加，滑環(huán)5在沿軌道運動的時候，重心在軌道下方。相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)人員應當知曉:把滑環(huán)5從第一軌道釋放的時候，就應該讓重心位于軌道下方，且正下方，這有益于滑環(huán)5保持不變的姿態(tài)。
[0054]滑環(huán)5的質(zhì)心位置屬于其直徑，且質(zhì)心距圓心的長度為:滑環(huán)外徑的四分之一至二分之一，以此方案做實驗發(fā)現(xiàn):每組50次實驗，一共做三組，共150次實驗，有127次滑環(huán)5的姿態(tài)較為理想。
[0055]在以往的一些動力學試驗中，運動物體基本上可視為質(zhì)點，即使運動物體發(fā)生一些扭轉(zhuǎn)，對實驗也沒有較大影響，而本實驗，要借助滑環(huán)本身大小得到一些數(shù)據(jù)，所以，解決滑環(huán)常常偏轉(zhuǎn)的問題就是很重要的問題。利用滑環(huán)本身的尺寸，在很多情況下可以忽略攝像頭視角造成的影響。因為所拍攝畫面中滑環(huán)5所占畫面的尺寸雖然變了，但是，滑環(huán)5和其緊密接觸的物體的比例卻沒有發(fā)生變化。
[0056]制作一個質(zhì)心不在圓心的滑環(huán)是一件很容易的事情:比如，用塑料和鋼材制作滑環(huán)的兩個部分，然后，粘接到一起，就可以很容易的讓質(zhì)心位置不在圓心。確定質(zhì)心的位置也屬于現(xiàn)有技術(shù)。
[0057]本發(fā)明為動力學研究、演示、教學提供了一種新的技術(shù)方案。
【權(quán)利要求】
1.多狀態(tài)運動研究裝置，包括:底座(4)，第一門形支架(21)，第二門形支架(22)，滑桿(31)，攝像頭(32)，第一軌道(11)，第二軌道(12)，第三軌道(13)，套設于所述軌道、用于沿著軌道滑動的滑環(huán)(5)，其特征是: 第一軌道(11)為傾斜的直線軌道，第二軌道(12)為圓弧形軌道，第三軌道(13)為圓弧形軌道， 第一軌道(11 )、第二軌道(12)、第三軌道(13)平滑、固定連接形成軌道整體，且第一軌道(11)、第二軌道(12)、第三軌道(13)處于同一個豎直平面， 第一軌道(11)的低端和第二軌道(12)連接，第二軌道(12)為凹弧形軌道，第三軌道(13)和第二軌道(12)連接，第三軌道(13)為凸弧形軌道， 第二軌道(12)相對于第二軌道(12)的最低點水平對稱，第三軌道(13)相對于第三軌道(13)的最聞點水平對稱， 第一門形支架(21)的下端固定連接于底座(4)，第一門形支架(21)所屬上桿的中點固定連接軌道整體，第二門形支架(22)的下端固定連接于底座(4)，第二門形支架(22)所屬上桿的中點固定連接軌道整體，且第一門形支架(21)、第二門形支架(22)分居在軌道整體兩端:第一門形支架(21)和第一軌道(11)外端連接，第二門形支架(22)和第三軌道(13)外端連接， 經(jīng)過第二門形支架(22)最高點的水平線介于:第二軌道(12)最低點和第三軌道(13)最聞點之間， 滑桿(31)垂直于底座(4)，且和底座(4)固定連接，滑桿(31)和第三軌道(13)處于同一個豎直平面，且滑桿(31)、第一門形支架(21)、第二門形支架(22)的水平位置關(guān)系為:滑桿(31)和第一門形支架(21)之間有第二門形支架(22)， 滑桿(31)設有沿滑桿(31)上下滑動的攝像頭(32)， 所述滑環(huán)(5)的質(zhì)心位置屬于其直徑，且質(zhì)心距圓心的長度為:滑環(huán)外徑的四分之一至二分之一， 所述第一軌道(11)還包括用于反映長度的刻度。
【文檔編號】G09B23/10GK104361793SQ201410724202
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2013年8月1日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月1日
【發(fā)明者】陳廷 申請人:陳廷