新型科氏加速度演示儀的設(shè)計(jì)

譚子涵 姚哲芳

摘? ?要：本文針對(duì)傳統(tǒng)科氏加速度演示儀的結(jié)構(gòu)、體型和造價(jià)進(jìn)行了分析，設(shè)計(jì)出了一種造價(jià)較低、體型較小對(duì)科氏加速度存在與否進(jìn)行定性分析的科氏加速度演示儀，并且繪出了科氏加速度演示儀的三視圖制作出了等比模型分析。此外，還對(duì)科氏加速度演示儀的加速帶長(zhǎng)度和皮帶尺寸進(jìn)行了計(jì)算?，F(xiàn)有的科氏加速度演示儀往往體型較大，難以攜帶，造價(jià)較高，要想讓學(xué)生們?cè)谡n堂更好地理解科氏加速度的存在，就必須設(shè)計(jì)出一種能為所有同學(xué)配備的體型較小的科氏加速演示儀。

關(guān)鍵詞：科氏加速度演示儀? 體積較小? 造價(jià)經(jīng)濟(jì)? 定性分析

中圖分類號(hào)：TS951? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2019）05（b）-0065-02

1? 科氏加速度的概念以及現(xiàn)有的科氏加速度演示儀

科氏加速度是由于動(dòng)系為轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，牽引運(yùn)動(dòng)與相對(duì)運(yùn)動(dòng)相互運(yùn)動(dòng)相互影響而產(chǎn)生的。其的計(jì)算公式可以寫為：ac=2w×vr，科氏加速度是1832年由科里奧利發(fā)現(xiàn)的，因而命名為科里奧利加速度，簡(jiǎn)稱科氏加速度。這種科氏加速度在自然現(xiàn)象中是有所表現(xiàn)的，例如在北半球的江河，其右岸都受有較明顯的沖刷。

目前，無(wú)論是天津大學(xué)研制的雙電機(jī)科氏加速度演示平臺(tái)，還是河海大學(xué)研制的轉(zhuǎn)盤水泵式演示平臺(tái)，抑或是寧夏大學(xué)研制的平面機(jī)械帶式演示儀，抑或是廈門大學(xué)研制出的科氏加速度演示儀，它們的體積都較為龐大，結(jié)構(gòu)稍復(fù)雜，難以在理論力學(xué)課堂上展示。雖然武漢理工大學(xué)的機(jī)械式科氏加速度演示儀和北華大學(xué)研究出的立體科氏加速度演示儀體積小巧，但是難以做到易拿易演示，儀器難以讓全部同學(xué)能夠人手一個(gè)，在課堂展示上沒(méi)能讓同學(xué)們有親手實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的效果。

2? 新型科氏加速度演示儀的原理圖

本文通過(guò)研究大量資料并結(jié)合實(shí)際情況對(duì)現(xiàn)有存在科氏加速度的體系的原理結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行了總結(jié)分析，針對(duì)體型較小、造價(jià)較低的要求進(jìn)行了合理的設(shè)計(jì)和改進(jìn)，最終我們選用了一個(gè)科氏加速度演示儀的設(shè)計(jì)原理圖，如圖1所示。

本科氏加速度演示機(jī)制主要是依靠主軸的旋轉(zhuǎn)和皮帶的旋轉(zhuǎn)作用，令皮帶上的小物塊受科氏加速度演示儀的作用。本科氏加速演示儀在使用時(shí)不可避免地需要考慮風(fēng)力和摩擦力的影響。而科氏加速度與相對(duì)速度垂直，所以有摩擦力不影響觀察的現(xiàn)象和得到的結(jié)論，所以我們只要通過(guò)改變皮帶旋轉(zhuǎn)方向來(lái)分析排除風(fēng)力存在對(duì)演示的影響。

若改變皮帶旋轉(zhuǎn)方向，小物體分別從皮帶邊緣的左右兩端的相同位置滑落皮帶，則說(shuō)明該實(shí)驗(yàn)中風(fēng)力影響可忽略不計(jì);若改變皮帶旋轉(zhuǎn)方向，小物體分別從左右兩端的不同位置下落，則說(shuō)明該實(shí)驗(yàn)中科氏力大于風(fēng)力的影響;若改變皮帶旋轉(zhuǎn)方向，小物體從左或右端的不同位置下落，則說(shuō)明該實(shí)驗(yàn)中風(fēng)力大于科氏力的影響;若改變皮帶旋轉(zhuǎn)方向，小物體從左或右端的相同位置下落或者沿著皮帶傳送不從左右兩端下落，則說(shuō)明該實(shí)驗(yàn)中沒(méi)有科氏加速度的存在。

3? 科氏加速度演示儀的設(shè)計(jì)及計(jì)算

我們?cè)O(shè)計(jì)的小物塊的大小為邊長(zhǎng)為4mm的小立方體，主軸采用的為3V5r/min的馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，皮帶采用3V100r/min的馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，皮帶連接正反可逆開關(guān)以改變皮帶的旋轉(zhuǎn)方向，本科氏加速度演示儀釆用了一種自創(chuàng)的帶狀盒子的演示機(jī)構(gòu)?？剖霞铀俣妊菔緝x的三視圖如圖2。

科氏加速度演示儀的規(guī)格小于200mm×200mm×

200mm，其主要尺寸如下：

（1）底部基座規(guī)格為180mm×120mm×60mm，其主要結(jié)構(gòu)為鋁合金，通過(guò)自重和與基面較大的接觸面積以來(lái)達(dá)到支撐整體構(gòu)造的目的。

（2）演示儀主體部分規(guī)格為130mm×100mm×80mm，其主要連接結(jié)構(gòu)為塑料，結(jié)構(gòu)較輕，方便基座結(jié)構(gòu)支撐。

（3）皮帶及傳送輪的選材與尺寸計(jì)算：

皮帶主要的材質(zhì)是橡膠，傳送輪的材質(zhì)主要為塑料，小物塊選用木材，加速軌道選用塑料（為可拆裝護(hù)欄構(gòu)造，保證小物塊在加速軌道加速時(shí)不發(fā)生左右偏移），這些都選用輕質(zhì)的材料，節(jié)約造價(jià)也能減輕儀器重量。

經(jīng)過(guò)查閱相關(guān)資料，我們假設(shè)皮帶和小物塊之間的摩擦因素μ=0.2，選用寬度為40mm的皮帶、直徑為20mm的傳送輪，皮帶的驅(qū)動(dòng)為100r/min的馬達(dá)，主軸的驅(qū)動(dòng)為5r/min的馬達(dá)，通過(guò)初等物理知識(shí)我們可以計(jì)算出小物塊加速到皮帶的速度需要的長(zhǎng)度約為3mm，我們?cè)O(shè)計(jì)的加速軌道為1cm;小物塊在科氏加速度的影響下從皮帶兩端滑落需要的皮帶長(zhǎng)度約為5cm，通過(guò)對(duì)計(jì)算結(jié)果、風(fēng)力影響及其他因素的考慮，我們將皮帶長(zhǎng)度設(shè)計(jì)成為12cm。

4? 結(jié)語(yǔ)

本科氏加速度演示儀小巧易攜帶，造價(jià)低，既經(jīng)濟(jì)又簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)原理和儀器構(gòu)造讓同學(xué)們一目了然，可以在理論力學(xué)課堂直接使用且每位同學(xué)都可配備。設(shè)計(jì)方案上創(chuàng)新，使用帶狀盒子的設(shè)計(jì)，創(chuàng)造出了一種新型的科氏加速度的演示構(gòu)造。

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