專利名稱：一種恒拉力裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種力學(xué)教具，具體的說(shuō)，涉及的是一種產(chǎn)生恒定拉力的力學(xué)教具。
背景技術(shù)：
力學(xué)實(shí)驗(yàn)中，常常要對(duì)物體施加恒定的拉力，倘若物體是靜止的，那么用手拿著彈簧測(cè)力計(jì)就可以很容易的施加恒定拉力，倘若物體是運(yùn)動(dòng)的，手持彈簧秤施加力量就無(wú)法保證恒定，現(xiàn)有教學(xué)中常常用懸掛物體的方法來(lái)施加恒定的拉力，但是這樣的方法操作比較復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有教具的不足，本發(fā)明提出一種恒拉力裝置，本發(fā)明可以對(duì)物體施加恒定的拉力。本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是一種恒拉力裝置，包括外殼，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)盤(pán)，被動(dòng)盤(pán)由驅(qū)動(dòng)盤(pán)利用滑動(dòng)摩擦來(lái)驅(qū)動(dòng)，其特征是被動(dòng)盤(pán)與輕質(zhì)繞線筒為固定連接且同軸旋轉(zhuǎn)，繞線筒上繞有細(xì)線，且電動(dòng)機(jī)為高轉(zhuǎn)速電機(jī)，且電動(dòng)機(jī)的后方有一個(gè)彈簧，彈簧一端接觸電動(dòng)機(jī)，另一端接觸外殼。本發(fā)明解決技術(shù)問(wèn)題所依據(jù)的原理是根據(jù)滑動(dòng)摩擦力的計(jì)算公式，可以知道滑動(dòng)摩擦力等于壓力乘以滑動(dòng)摩擦因數(shù)(滑動(dòng)摩擦因數(shù)也叫做滑動(dòng)摩擦系數(shù)，也叫動(dòng)摩擦因數(shù)，也叫動(dòng)摩擦系數(shù)。)，兩個(gè)物體間的滑動(dòng)摩擦力受速度的影響是可以忽略的。電動(dòng)機(jī)使驅(qū)動(dòng)盤(pán)高速旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)盤(pán)使被動(dòng)盤(pán)受到摩擦的作用而旋轉(zhuǎn)，并且被動(dòng)盤(pán)受到的是滑動(dòng)摩擦，因?yàn)轵?qū)動(dòng)盤(pán)和被動(dòng)盤(pán)之間的壓力是恒定的，所以，被動(dòng)盤(pán)受到的滑動(dòng)摩擦力是恒定的，所以，與被動(dòng)盤(pán)采用固定連接的繞線筒繞線的力也是恒定的，盡管繞線的力不一定等于驅(qū)動(dòng)盤(pán)和被動(dòng)盤(pán)之間的滑動(dòng)摩擦力，但是繞線的力是恒定的，所以，線對(duì)重物施加了恒定了拉力。調(diào)節(jié)被動(dòng)盤(pán)和驅(qū)動(dòng)盤(pán)之間的壓力大小，就可以改變被動(dòng)盤(pán)受到的滑動(dòng)摩擦力，從而調(diào)節(jié)了線施加的拉力大小。本發(fā)明的有益效果是，提供了一種新的施加恒力的技術(shù)方案。


圖I為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。圖中I-外殼，2-電動(dòng)機(jī)，3-驅(qū)動(dòng)盤(pán)，4-被動(dòng)盤(pán)，5-繞線筒，6-繞線筒的軸，7-細(xì)線，8-電動(dòng)機(jī)的軸，9-彈簧，10-重物。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的設(shè)計(jì)和使用進(jìn)一步說(shuō)明。參看附圖1，電動(dòng)機(jī)2采用高轉(zhuǎn)速電機(jī)，空載時(shí)，每分鐘至少轉(zhuǎn)2000轉(zhuǎn)，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，選擇轉(zhuǎn)速為每分鐘3000轉(zhuǎn)、3500轉(zhuǎn)、4000轉(zhuǎn)、4500轉(zhuǎn)、5000轉(zhuǎn)的電動(dòng)機(jī)2具有相同的技術(shù)
效果。電動(dòng)機(jī)的軸8帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)盤(pán)3高速旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)盤(pán)3和被動(dòng)盤(pán)4接觸并且有不大的壓力，所以被動(dòng)盤(pán)4和驅(qū)動(dòng)盤(pán)3之間是滑動(dòng)摩擦力。如果驅(qū)動(dòng)盤(pán)3和被動(dòng)盤(pán)4接觸并且有足夠大的壓力，那么被動(dòng)盤(pán)4和驅(qū)動(dòng)盤(pán)3之間的摩擦力就會(huì)為靜摩擦力，導(dǎo)致被動(dòng)盤(pán)4和驅(qū)動(dòng)盤(pán)3有相同的角速度。被動(dòng)盤(pán)4與輕質(zhì)繞線筒5為固定連接，且同軸旋轉(zhuǎn)，所以，被動(dòng)盤(pán)4旋轉(zhuǎn)會(huì)導(dǎo)致輕質(zhì)繞線筒5的旋轉(zhuǎn)，繞線筒5上繞有細(xì)線7，繞線筒5由繞線筒的軸6確定軸線。電動(dòng)機(jī)2遠(yuǎn)離驅(qū)動(dòng)盤(pán)3的一端被命名為電動(dòng)機(jī)2的后方。電動(dòng)機(jī)2的后方安裝有彈黃9。彈黃9 一端接觸電動(dòng)機(jī)2,另一端接觸外殼I。需要增大細(xì)線7產(chǎn)生拉力時(shí)，調(diào)節(jié)彈簧9施加的壓力，也就是改變彈簧9的長(zhǎng)度，就可以使驅(qū)動(dòng)盤(pán)3和被動(dòng)盤(pán)4之間的壓力改變，從而使被動(dòng)盤(pán)4受到的摩擦力改變，需要說(shuō)明的是這時(shí)被動(dòng)盤(pán)4受到的仍然是驅(qū)動(dòng)盤(pán)3施加的滑動(dòng)摩擦力，而非靜摩擦力。被動(dòng)盤(pán)4·受到的摩擦力增大了，細(xì)線7產(chǎn)生的拉力就增大了。外殼I不僅起封裝的作用，利用外殼I還方便確定繞線筒的軸6的位置。驅(qū)動(dòng)盤(pán)3和被動(dòng)盤(pán)4接觸面的形狀都為圓形，且接觸面較光滑。驅(qū)動(dòng)盤(pán)3采用橡膠制成，原因是橡膠具有彈性，便于施加摩擦力，接觸面較光滑的原因是太粗糙的接觸面會(huì)使驅(qū)動(dòng)盤(pán)3和被動(dòng)盤(pán)4之間的力為靜摩擦力。被動(dòng)盤(pán)4用塑料制成，原因是塑料可以制成強(qiáng)度足夠大的輕質(zhì)片狀。被動(dòng)盤(pán)4也可采用碳纖維制成，理由是碳纖維的強(qiáng)度大、密度小。驅(qū)動(dòng)盤(pán)3也可以由鈦或者鈦的合金制成，因?yàn)殁伜外伜辖鹁哂忻芏刃?、?qiáng)度大的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，金屬利于散熱。溫度的改變，對(duì)很多材料來(lái)說(shuō)，會(huì)造成表面性質(zhì)的改變，也就會(huì)導(dǎo)致滑動(dòng)摩擦因數(shù)的改變，而用金屬材料制作驅(qū)動(dòng)盤(pán)3可以有很好的散熱效果。同理被動(dòng)盤(pán)4也可以由鈦或者鈦合金制成。因?yàn)橘|(zhì)量越大慣性越大，所以，繞線筒5和被動(dòng)盤(pán)4質(zhì)量要盡可能的小，這樣可以減少對(duì)細(xì)線7拉力的影響。為了讓細(xì)線7能牽引重物10，細(xì)線7的一端固定于繞線筒5，細(xì)線7的另一端在外殼I之外。因?yàn)橹匚?0通常放置在軌道上，比如木板軌道、氣墊導(dǎo)軌等，這些軌道的長(zhǎng)度一般不超過(guò)2m，所以，細(xì)線7的總長(zhǎng)以2m為宜。繞線筒5的直徑在3cm — 4cm為宜，直徑太小的繞線筒5會(huì)導(dǎo)致細(xì)線7圍繞繞線筒5的過(guò)程中，細(xì)線7的環(huán)繞直徑變化很多，因?yàn)榱氐年P(guān)系，會(huì)使細(xì)線7施加拉力改變。直徑太大的繞線筒5會(huì)導(dǎo)致繞線筒5的慣性造成的影響太大，這會(huì)使細(xì)線7施加的拉力不恒定。經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)繞線筒5的直徑在3cm — 4cm可以使拉力非常接近恒定。細(xì)線7的長(zhǎng)度不宜太長(zhǎng)，太長(zhǎng)的細(xì)線7會(huì)導(dǎo)致細(xì)線質(zhì)量增大，同時(shí)，太長(zhǎng)的細(xì)線7會(huì)導(dǎo)致細(xì)線7旋繞繞線筒5的過(guò)程中，細(xì)線7在繞線筒5上的厚度增加很多，從而造成圓周運(yùn)動(dòng)的半徑發(fā)生變化，導(dǎo)致拉力就會(huì)有一些變化。使用的時(shí)候，讓電動(dòng)機(jī)2高速旋轉(zhuǎn)，于是驅(qū)動(dòng)盤(pán)3高速旋轉(zhuǎn)，在滑動(dòng)摩擦力的作用下被動(dòng)盤(pán)4旋轉(zhuǎn)，細(xì)線7的一端連接有重物10，重物10受到的拉力恒定。被動(dòng)盤(pán)4的理論最大轉(zhuǎn)速就是和驅(qū)動(dòng)盤(pán)3不打滑時(shí)的轉(zhuǎn)速，所以，細(xì)線7的理論最大速度是確定的，在確定了細(xì)線7的最大速度和最大功率的前提下，由物理知識(shí)通過(guò)計(jì)算可以得到重物質(zhì)量不宜太小。
倘若重物10質(zhì)量非常小，細(xì)線7的質(zhì)量也非常小，在恒定拉力下，細(xì)線7的速度可以達(dá)到非常大的速度，而電動(dòng)機(jī)2的最大功率是確定的，由力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)的知識(shí)可以得到重物10的質(zhì)量太小會(huì)使細(xì)線7的拉力不恒定。經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)2的功率在25W — 50W之間，都可以較好的滿足教學(xué)需要。若重物10的質(zhì)量為50g，細(xì)線7施加拉力恒為2N，由牛頓第二定律和運(yùn)動(dòng)學(xué)公式可以計(jì)算出經(jīng)過(guò)2m細(xì)線長(zhǎng)的加速后，重物10的速度約為13m/s，此時(shí)細(xì)線7的拉力功率約為26W，為了保證電動(dòng)機(jī)2有充足的功率應(yīng)對(duì)各種損耗，同時(shí)為了保證給較小的重物10施加拉力時(shí)也能讓拉力恒定，同時(shí)還兼顧本發(fā)明的體積不宜過(guò)大(通常情況下，功率較大的電動(dòng)機(jī)體積也較大。)，電動(dòng)機(jī)2的功率以50W為優(yōu)選方案。當(dāng)重物10靜止時(shí)，細(xì)線7也靜止，繞線筒5也靜止，被動(dòng)盤(pán)4也靜止，被動(dòng)盤(pán)4仍然受到驅(qū)動(dòng)盤(pán)3施加的滑動(dòng)摩擦力，所以，繞線筒5有轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢(shì)，此時(shí)細(xì)線7對(duì)重物10仍 然是施加拉力的，并且這個(gè)拉力和重物運(yùn)動(dòng)起來(lái)時(shí)的拉力是相等的。經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，驅(qū)動(dòng)盤(pán)3和被動(dòng)盤(pán)4之間的滑動(dòng)摩擦因數(shù)為O. 2—0. 25時(shí)，試驗(yàn)效果較好?；瑒?dòng)摩擦因數(shù)太小，會(huì)導(dǎo)致細(xì)線7產(chǎn)生的拉力太小，不適合教學(xué)的需要?；瑒?dòng)摩擦因數(shù)太大，會(huì)導(dǎo)致被動(dòng)盤(pán)4很容易和驅(qū)動(dòng)盤(pán)3之間產(chǎn)生靜摩擦，并且導(dǎo)致調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)盤(pán)3和被動(dòng)盤(pán)4之間的壓力變的很困難。所以，為了使本發(fā)明適宜教學(xué)的需要，選擇合適的滑動(dòng)摩擦因數(shù)非常重要。經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)本發(fā)明優(yōu)選滑動(dòng)摩擦因數(shù)為O. 22。本發(fā)明的有益效果是提供了一種施加恒定拉力的方案，該方案不用懸吊重物的就可以獲得恒定拉力。
權(quán)利要求
1.一種恒拉力裝置,包括外殼(I)、電動(dòng)機(jī)(2)、驅(qū)動(dòng)盤(pán)(3)、繞線筒(5),且電動(dòng)機(jī)(2)帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)盤(pán)(3)旋轉(zhuǎn)，其特征是還包括被動(dòng)盤(pán)(4)，且被動(dòng)盤(pán)(4)由驅(qū)動(dòng)盤(pán)(3)利用滑動(dòng)摩擦來(lái)驅(qū)動(dòng)，被動(dòng)盤(pán)(4)與輕質(zhì)繞線筒(5)為固定連接且同軸旋轉(zhuǎn)，繞線筒(5)上繞有細(xì)線(7 )，且電動(dòng)機(jī)(2 )為高轉(zhuǎn)速電機(jī)，且電動(dòng)機(jī)(2 )的后方有一個(gè)彈簧(9 )，驅(qū)動(dòng)盤(pán)(3 )和被動(dòng)盤(pán)(4)的軸線在同一條直線上，彈簧(9) 一端接觸電動(dòng)機(jī)(2)，另一端接觸外殼(I)。
2.如權(quán)利要求I所述的一種恒拉力裝置，其特征在于驅(qū)動(dòng)盤(pán)(3)和被動(dòng)盤(pán)(4)接觸面的形狀都為圓形。
3.如權(quán)利要求I所述的一種恒拉力裝置，其特征在于驅(qū)動(dòng)盤(pán)(3)采用橡膠制成，被動(dòng)盤(pán)(4 )用塑料或者碳纖維制成。
4.如權(quán)利要求I所述的一種恒拉力裝置，其特征在于驅(qū)動(dòng)盤(pán)(3)和/或被動(dòng)盤(pán)(4)用鈦或者鈦合金制成。
5.如權(quán)利要求I所述的一種恒拉力裝置，其特征在于電動(dòng)機(jī)(2)采用空載時(shí)轉(zhuǎn)速為每分鐘3000轉(zhuǎn)，或3500轉(zhuǎn)，或4000轉(zhuǎn)，或4500轉(zhuǎn)，或5000轉(zhuǎn)的電動(dòng)機(jī)。
6.如權(quán)利要求I所述的一種恒拉力裝置，其特征在于驅(qū)動(dòng)盤(pán)(3)和被動(dòng)盤(pán)(4)之間的滑動(dòng)摩擦因數(shù)為O. 2—0. 25。
7.如權(quán)利要求6所述的一種恒拉力裝置，其特征在于驅(qū)動(dòng)盤(pán)(3)和被動(dòng)盤(pán)(4)之間的滑動(dòng)摩擦因數(shù)為O. 22。
8.如權(quán)利要求I所述的一種恒拉力裝置，其特征在于電動(dòng)機(jī)(2)采用功率為50W的電動(dòng)機(jī)。
9.如權(quán)利要求I所述的一種恒拉力裝置，其特征在于細(xì)線(7)長(zhǎng)度為2m。
10.如權(quán)利要求I所述的一種恒拉力裝置，其特征在于繞線筒(5)的直徑是3cm—4cm。
全文摘要
一種恒拉力裝置，本發(fā)明涉及的是一種用于力學(xué)實(shí)驗(yàn)、產(chǎn)生恒定拉力的力學(xué)教具。本發(fā)明的有益效果是提供了一種施加恒定拉力的方案，該方案不用懸吊重物的就可以獲得恒定拉力。本發(fā)明包括外殼(1)、電動(dòng)機(jī)(2)、驅(qū)動(dòng)盤(pán)(3)、繞線筒(5)，且電動(dòng)機(jī)(2)帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)盤(pán)(3)旋轉(zhuǎn)，其特征是還包括被動(dòng)盤(pán)(4)，且被動(dòng)盤(pán)(4)由驅(qū)動(dòng)盤(pán)(3)利用滑動(dòng)摩擦來(lái)驅(qū)動(dòng)，被動(dòng)盤(pán)(4)與輕質(zhì)繞線筒(5)為固定連接且同軸旋轉(zhuǎn)，繞線筒(5)上繞有細(xì)線(7)，且電動(dòng)機(jī)(2)為高轉(zhuǎn)速電機(jī)，且電動(dòng)機(jī)(2)的后方有一個(gè)彈簧(9)，驅(qū)動(dòng)盤(pán)(3)和被動(dòng)盤(pán)(4)的軸線在同一條直線上，彈簧(9)一端接觸電動(dòng)機(jī)(2)，另一端接觸外殼(1)。
文檔編號(hào)G09B23/10GK102903283SQ20121043936
公開(kāi)日2013年1月30日 申請(qǐng)日期2012年11月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月7日
發(fā)明者陳廷 申請(qǐng)人:陳廷