论文部分内容阅读
摘 要：针对科里奥利力难以觉察，不易理解的问题，研制一种观察科里奥利力的装置，该装置集机电为一体，通过电机带动减速传动机构，使其水盆及喷水管顺或逆时针旋转，其装置上的喷水管喷出的水在旋转偏向力的作用下形成抛物线状，由此现象直观说明科里奥利力。
关键词：水线条轨迹；旋转体系；科里奥利力
1 研制背景及意义
当一个质点相对于惯性系做直线运动时，相对于旋转体系，其轨迹是一条曲线。立足于旋转体系，我们认为有一个力驱使质点运动轨迹形成曲线，这个力就是科里奥利力。科里奥利力是运动物体由于惯性而在转动的参照系中表现出来到一种“惯性力”，根据牛顿力学的理论，以旋转体系为参照系，这种质点的直线运动偏离原有方向的倾向被归结为一个外加力的作用，这就是科里奥利力。
科里奥利力现象常常发生在我们身边，由于地球自转偏向力很小，科里奥利力被其他作用力的效应所掩盖。所以其效应在日常生活中很难觉察，科里奥利力也是力学教学中的难点，课堂上用理论讲解，不易使学生听懂。因此，研制观察科里奥利力的装置对研究科里奥利力、利用科里奥利力，普及科学知识均有重要意义。
2 观察科里奥利力的实验原理
（1）接通水泵电源，水泵开始从水箱内抽水，喷水管的十一个喷水孔喷出水形成十一股细细的水线条。观察并记录水盆及喷水管未旋转时喷水管喷出的水形成的十一股水线条的轨迹现象。
（2）通过SB1转换开关选择是否接通电抗器 L，确定水盆 “快”或“慢”旋转转速。同时通过SB2转换开关选择是否接通电容C，改变主电动机旋转方向，确定水盆是按“顺时针”或是按“逆时针”方向旋转，这样观察水盆及喷水管改变旋转方向及旋转速度时，喷水管的十一个喷水孔喷出的水形成的水线条轨迹同时发生变化的现象及喷水管的十一个喷水孔距水盆旋转中心远近分别不同时，喷水管的十一个喷水孔喷出的水形成的水线条轨迹各异的现象。
（3）当水盆储水较多时，关机将回水软管与安装在水盆出水口的闸门连接，取下闸门的堵水塞子将盆内的水放回水箱，当水盆内的水回归至水箱完毕，将堵水塞子仍旧塞住闸门出水口，若需继续观察，又重复前面步骤。
3 特色与创新
（1）当接通水泵电源，水泵抽水，主电动机M2未启动，水盆及喷水管不转动，这时可观察到从喷水管的十一个喷水孔喷出的水形成的十一股水线条直接喷向水盆底的中线，从而看出喷水孔喷出的水形成的水线条轨迹直线度基本上不受科里奥利力的影响。当接通主电动机电源，主电动机带动水盆及喷水管旋转，这时可观察到除喷水管长度的1/2处即大致对正水盆旋转中心的一个喷水孔喷出的水形成的一股水线条的轨迹仍旧大致直指向水盆旋转中心外，其余的喷水孔即从喷水管轴向方向从中心两侧由近至远排列的喷水孔，喷出的水形成的水线条的轨迹均成抛物线状依次递增偏离水盆底中线，由此现象说明科里奥利力，因为喷水管长度的1/2处即大致对正水盆旋转中心的一个喷水孔喷出的水形成的水线条轨迹直线度基本上不受科里奥利力的影响或影响较小，所以该水线条形成的轨迹大致指向水盆旋转中心；喷水管上的喷水孔距水盆旋转中心近，该喷水孔喷出的水形成的水线条的轨迹偏离水盆底中线的距离小，说明科里奥利力小；喷水孔距水盆旋转中心远，其喷水孔喷出的水形成的水线条的轨迹偏离水盆底中线的距离大，说明科里奥利力大；同样，水盆及喷水管旋转转速快、慢不同，同一个喷水孔喷出的水形成的水线条的轨迹偏离水盆底中线的远近就不同，科里奥利力的大小也就不同；水盆顺、逆时针旋转，可以观察到喷水管的喷水孔喷出的水形成的水线条的轨迹偏离水盆底中线的方向会随着水盆及喷水管旋转方向改变而改变。如果把水盆想象成地球，水盆旋转中心相当于地球的极点，其线速度为零，水盆顺时针旋转相当于自转的地球的南半球，水盆逆时针旋转相当于自转的地球的北半球，喷水管的喷水孔喷出的水形成的水线条的轨迹偏离水盆底的中线可以说明河流冲刷河岸的原因，也说明了“落体偏东”效应，所以，该装置观察科里奧利力直观，形象生动，有利于观察者加深对科里奥利力的理解。
（2）采用电抗器L控制主电动机的转速，接通电源后，若转换开关SB1的旋钮上的指示线对准装置面板上的“慢”，即L串联于电动机电路中，使主电动机绕组两端的工作电压下降，主电动机转速变慢；若转换开关SB1的旋钮上的指示线对准装置面板上的“快”，L未被接入电路回路，主电动机全速运转。这样可使水盆及喷水管获得慢、快两种旋转转速，使其喷水管上的同一个喷水孔喷出的水形成的水线条的轨迹随水盆及喷水管旋转速度的改变而改变偏离水盆底中线的距离，从而了解旋转体系的转速与科里奥利力大小成正比关系。
（3）设计主电动机的正转、反转速度相同，有利于观察、比较喷水管的喷水孔喷出的水形成的水线条的轨迹随水盆及喷水管旋转方向改变，其水线条的轨迹偏离水盆底中线的方向也同时发生对称改变的现象。
（4）由于观察科里奥利力的旋转速度不宜过高，所以本装置采用了传动比较大的旋转减速器及三角皮带减速传动机构对主电动机减速，旋转减速器采用行星齿轮传动机构，由4个相同的行星齿轮均匀的分布在外齿中心轮与内齿中心轮的周围共同承担载荷，因而传递功率大，传动比也大。
参考文献
[1]廖汉元，孔建益，钮国辉.机械原理[M].北京：机械工业出版社，1998.
[2]北京有色冶金设计研究总院.机械设计手册[M].北京：化学工业出版社，1993.
[3]沈敏德，宫涛，范维华.功能分析与创新设计[M].北京：机械设计杂志社，2001.
[4]曹岩，李建华.Solidworks2004产品设计实例精解[M].北京：机械工业出版社，2004.
[5]王先逵.机械制造工艺学[M].北京：机械工业出版社，2000.
（作者单位：重庆工业职业技术学院）
关键词：水线条轨迹；旋转体系；科里奥利力
1 研制背景及意义
当一个质点相对于惯性系做直线运动时，相对于旋转体系，其轨迹是一条曲线。立足于旋转体系，我们认为有一个力驱使质点运动轨迹形成曲线，这个力就是科里奥利力。科里奥利力是运动物体由于惯性而在转动的参照系中表现出来到一种“惯性力”，根据牛顿力学的理论，以旋转体系为参照系，这种质点的直线运动偏离原有方向的倾向被归结为一个外加力的作用，这就是科里奥利力。
科里奥利力现象常常发生在我们身边，由于地球自转偏向力很小，科里奥利力被其他作用力的效应所掩盖。所以其效应在日常生活中很难觉察，科里奥利力也是力学教学中的难点，课堂上用理论讲解，不易使学生听懂。因此，研制观察科里奥利力的装置对研究科里奥利力、利用科里奥利力，普及科学知识均有重要意义。
2 观察科里奥利力的实验原理
（1）接通水泵电源，水泵开始从水箱内抽水，喷水管的十一个喷水孔喷出水形成十一股细细的水线条。观察并记录水盆及喷水管未旋转时喷水管喷出的水形成的十一股水线条的轨迹现象。
（2）通过SB1转换开关选择是否接通电抗器 L，确定水盆 “快”或“慢”旋转转速。同时通过SB2转换开关选择是否接通电容C，改变主电动机旋转方向，确定水盆是按“顺时针”或是按“逆时针”方向旋转，这样观察水盆及喷水管改变旋转方向及旋转速度时，喷水管的十一个喷水孔喷出的水形成的水线条轨迹同时发生变化的现象及喷水管的十一个喷水孔距水盆旋转中心远近分别不同时，喷水管的十一个喷水孔喷出的水形成的水线条轨迹各异的现象。
（3）当水盆储水较多时，关机将回水软管与安装在水盆出水口的闸门连接，取下闸门的堵水塞子将盆内的水放回水箱，当水盆内的水回归至水箱完毕，将堵水塞子仍旧塞住闸门出水口，若需继续观察，又重复前面步骤。
3 特色与创新
（1）当接通水泵电源，水泵抽水，主电动机M2未启动，水盆及喷水管不转动，这时可观察到从喷水管的十一个喷水孔喷出的水形成的十一股水线条直接喷向水盆底的中线，从而看出喷水孔喷出的水形成的水线条轨迹直线度基本上不受科里奥利力的影响。当接通主电动机电源，主电动机带动水盆及喷水管旋转，这时可观察到除喷水管长度的1/2处即大致对正水盆旋转中心的一个喷水孔喷出的水形成的一股水线条的轨迹仍旧大致直指向水盆旋转中心外，其余的喷水孔即从喷水管轴向方向从中心两侧由近至远排列的喷水孔，喷出的水形成的水线条的轨迹均成抛物线状依次递增偏离水盆底中线，由此现象说明科里奥利力，因为喷水管长度的1/2处即大致对正水盆旋转中心的一个喷水孔喷出的水形成的水线条轨迹直线度基本上不受科里奥利力的影响或影响较小，所以该水线条形成的轨迹大致指向水盆旋转中心；喷水管上的喷水孔距水盆旋转中心近，该喷水孔喷出的水形成的水线条的轨迹偏离水盆底中线的距离小，说明科里奥利力小；喷水孔距水盆旋转中心远，其喷水孔喷出的水形成的水线条的轨迹偏离水盆底中线的距离大，说明科里奥利力大；同样，水盆及喷水管旋转转速快、慢不同，同一个喷水孔喷出的水形成的水线条的轨迹偏离水盆底中线的远近就不同，科里奥利力的大小也就不同；水盆顺、逆时针旋转，可以观察到喷水管的喷水孔喷出的水形成的水线条的轨迹偏离水盆底中线的方向会随着水盆及喷水管旋转方向改变而改变。如果把水盆想象成地球，水盆旋转中心相当于地球的极点，其线速度为零，水盆顺时针旋转相当于自转的地球的南半球，水盆逆时针旋转相当于自转的地球的北半球，喷水管的喷水孔喷出的水形成的水线条的轨迹偏离水盆底的中线可以说明河流冲刷河岸的原因，也说明了“落体偏东”效应，所以，该装置观察科里奧利力直观，形象生动，有利于观察者加深对科里奥利力的理解。
（2）采用电抗器L控制主电动机的转速，接通电源后，若转换开关SB1的旋钮上的指示线对准装置面板上的“慢”，即L串联于电动机电路中，使主电动机绕组两端的工作电压下降，主电动机转速变慢；若转换开关SB1的旋钮上的指示线对准装置面板上的“快”，L未被接入电路回路，主电动机全速运转。这样可使水盆及喷水管获得慢、快两种旋转转速，使其喷水管上的同一个喷水孔喷出的水形成的水线条的轨迹随水盆及喷水管旋转速度的改变而改变偏离水盆底中线的距离，从而了解旋转体系的转速与科里奥利力大小成正比关系。
（3）设计主电动机的正转、反转速度相同，有利于观察、比较喷水管的喷水孔喷出的水形成的水线条的轨迹随水盆及喷水管旋转方向改变，其水线条的轨迹偏离水盆底中线的方向也同时发生对称改变的现象。
（4）由于观察科里奥利力的旋转速度不宜过高，所以本装置采用了传动比较大的旋转减速器及三角皮带减速传动机构对主电动机减速，旋转减速器采用行星齿轮传动机构，由4个相同的行星齿轮均匀的分布在外齿中心轮与内齿中心轮的周围共同承担载荷，因而传递功率大，传动比也大。
参考文献
[1]廖汉元，孔建益，钮国辉.机械原理[M].北京：机械工业出版社，1998.
[2]北京有色冶金设计研究总院.机械设计手册[M].北京：化学工业出版社，1993.
[3]沈敏德，宫涛，范维华.功能分析与创新设计[M].北京：机械设计杂志社，2001.
[4]曹岩，李建华.Solidworks2004产品设计实例精解[M].北京：机械工业出版社，2004.
[5]王先逵.机械制造工艺学[M].北京：机械工业出版社，2000.
（作者单位：重庆工业职业技术学院）