專利名稱：一種恒拉力裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種力學教具，具體的說，涉及的是一種產生恒定拉力的力學教具。
背景技術：
力學實驗中，常常要對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力計就可以很容易的施加恒定拉力，倘若物體是運動的，手持彈簧秤施加力量就無法保證恒定，現有教學中常常用懸掛物體的方法來施加恒定的拉力，但是這樣的方法操作比較復雜。

發明內容
為了克服現有教具的不足，本發明提出一種恒拉力裝置，本發明可以對物體施加恒定的拉力。本發明解決其技術問題所采用的技術方案是一種恒拉力裝置，包括外殼，電動機帶動驅動盤，被動盤由驅動盤利用滑動摩擦來驅動，其特征是被動盤與輕質繞線筒為固定連接且同軸旋轉，繞線筒上繞有細線，且電動機為高轉速電機，且電動機的后方有一個彈簧，彈簧一端接觸電動機，另一端接觸外殼。本發明解決技術問題所依據的原理是根據滑動摩擦力的計算公式，可以知道滑動摩擦力等于壓力乘以滑動摩擦因數(滑動摩擦因數也叫做滑動摩擦系數，也叫動摩擦因數，也叫動摩擦系數。)，兩個物體間的滑動摩擦力受速度的影響是可以忽略的。電動機使驅動盤高速旋轉，驅動盤使被動盤受到摩擦的作用而旋轉，并且被動盤受到的是滑動摩擦，因為驅動盤和被動盤之間的壓力是恒定的，所以，被動盤受到的滑動摩擦力是恒定的，所以，與被動盤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動盤和被動盤之間的滑動摩擦力，但是繞線的力是恒定的，所以，線對重物施加了恒定了拉力。調節被動盤和驅動盤之間的壓力大小，就可以改變被動盤受到的滑動摩擦力，從而調節了線施加的拉力大小。本發明的有益效果是，提供了一種新的施加恒力的技術方案。


圖I為本發明結構示意圖。圖中I-外殼，2-電動機，3-驅動盤，4-被動盤，5-繞線筒，6-繞線筒的軸，7-細線，8-電動機的軸，9-彈簧，10-重物。
具體實施例方式下面結合附圖，對本發明的設計和使用進一步說明。參看附圖1，電動機2采用高轉速電機，空載時，每分鐘至少轉2000轉，實驗發現，選擇轉速為每分鐘3000轉、3500轉、4000轉、4500轉、5000轉的電動機2具有相同的技術
效果。電動機的軸8帶動驅動盤3高速旋轉，驅動盤3和被動盤4接觸并且有不大的壓力，所以被動盤4和驅動盤3之間是滑動摩擦力。如果驅動盤3和被動盤4接觸并且有足夠大的壓力，那么被動盤4和驅動盤3之間的摩擦力就會為靜摩擦力，導致被動盤4和驅動盤3有相同的角速度。被動盤4與輕質繞線筒5為固定連接，且同軸旋轉，所以，被動盤4旋轉會導致輕質繞線筒5的旋轉，繞線筒5上繞有細線7，繞線筒5由繞線筒的軸6確定軸線。電動機2遠離驅動盤3的一端被命名為電動機2的后方。電動機2的后方安裝有彈黃9。彈黃9 一端接觸電動機2,另一端接觸外殼I。需要增大細線7產生拉力時，調節彈簧9施加的壓力，也就是改變彈簧9的長度，就可以使驅動盤3和被動盤4之間的壓力改變，從而使被動盤4受到的摩擦力改變，需要說明的是這時被動盤4受到的仍然是驅動盤3施加的滑動摩擦力，而非靜摩擦力。被動盤4·受到的摩擦力增大了，細線7產生的拉力就增大了。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。驅動盤3和被動盤4接觸面的形狀都為圓形，且接觸面較光滑。驅動盤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使驅動盤3和被動盤4之間的力為靜摩擦力。被動盤4用塑料制成，原因是塑料可以制成強度足夠大的輕質片狀。被動盤4也可采用碳纖維制成，理由是碳纖維的強度大、密度小。驅動盤3也可以由鈦或者鈦的合金制成，因為鈦和鈦合金具有密度小、強度大的優點，同時，金屬利于散熱。溫度的改變，對很多材料來說，會造成表面性質的改變，也就會導致滑動摩擦因數的改變，而用金屬材料制作驅動盤3可以有很好的散熱效果。同理被動盤4也可以由鈦或者鈦合金制成。因為質量越大慣性越大，所以，繞線筒5和被動盤4質量要盡可能的小，這樣可以減少對細線7拉力的影響。為了讓細線7能牽引重物10，細線7的一端固定于繞線筒5，細線7的另一端在外殼I之外。因為重物10通常放置在軌道上，比如木板軌道、氣墊導軌等，這些軌道的長度一般不超過2m，所以，細線7的總長以2m為宜。繞線筒5的直徑在3cm — 4cm為宜，直徑太小的繞線筒5會導致細線7圍繞繞線筒5的過程中，細線7的環繞直徑變化很多，因為力矩的關系，會使細線7施加拉力改變。直徑太大的繞線筒5會導致繞線筒5的慣性造成的影響太大，這會使細線7施加的拉力不恒定。經試驗發現繞線筒5的直徑在3cm — 4cm可以使拉力非常接近恒定。細線7的長度不宜太長，太長的細線7會導致細線質量增大，同時，太長的細線7會導致細線7旋繞繞線筒5的過程中，細線7在繞線筒5上的厚度增加很多，從而造成圓周運動的半徑發生變化，導致拉力就會有一些變化。使用的時候，讓電動機2高速旋轉，于是驅動盤3高速旋轉，在滑動摩擦力的作用下被動盤4旋轉，細線7的一端連接有重物10，重物10受到的拉力恒定。被動盤4的理論最大轉速就是和驅動盤3不打滑時的轉速，所以，細線7的理論最大速度是確定的，在確定了細線7的最大速度和最大功率的前提下，由物理知識通過計算可以得到重物質量不宜太小。
倘若重物10質量非常小，細線7的質量也非常小，在恒定拉力下，細線7的速度可以達到非常大的速度，而電動機2的最大功率是確定的，由力學、運動學的知識可以得到重物10的質量太小會使細線7的拉力不恒定。經試驗發現電動機2的功率在25W — 50W之間，都可以較好的滿足教學需要。若重物10的質量為50g，細線7施加拉力恒為2N，由牛頓第二定律和運動學公式可以計算出經過2m細線長的加速后，重物10的速度約為13m/s，此時細線7的拉力功率約為26W，為了保證電動機2有充足的功率應對各種損耗，同時為了保證給較小的重物10施加拉力時也能讓拉力恒定，同時還兼顧本發明的體積不宜過大(通常情況下，功率較大的電動機體積也較大。)，電動機2的功率以50W為優選方案。當重物10靜止時，細線7也靜止，繞線筒5也靜止，被動盤4也靜止，被動盤4仍然受到驅動盤3施加的滑動摩擦力，所以，繞線筒5有轉動的趨勢，此時細線7對重物10仍 然是施加拉力的，并且這個拉力和重物運動起來時的拉力是相等的。經試驗發現，驅動盤3和被動盤4之間的滑動摩擦因數為O. 2—0. 25時，試驗效果較好。滑動摩擦因數太小，會導致細線7產生的拉力太小，不適合教學的需要。滑動摩擦因數太大，會導致被動盤4很容易和驅動盤3之間產生靜摩擦，并且導致調節驅動盤3和被動盤4之間的壓力變的很困難。所以，為了使本發明適宜教學的需要，選擇合適的滑動摩擦因數非常重要。經試驗發現本發明優選滑動摩擦因數為O. 22。本發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。
權利要求
1.一種恒拉力裝置,包括外殼(I)、電動機(2)、驅動盤(3)、繞線筒(5),且電動機(2)帶動驅動盤(3)旋轉，其特征是還包括被動盤(4)，且被動盤(4)由驅動盤(3)利用滑動摩擦來驅動，被動盤(4)與輕質繞線筒(5)為固定連接且同軸旋轉，繞線筒(5)上繞有細線(7 )，且電動機(2 )為高轉速電機，且電動機(2 )的后方有一個彈簧(9 )，驅動盤(3 )和被動盤(4)的軸線在同一條直線上，彈簧(9) 一端接觸電動機(2)，另一端接觸外殼(I)。
2.如權利要求I所述的一種恒拉力裝置，其特征在于驅動盤(3)和被動盤(4)接觸面的形狀都為圓形。
3.如權利要求I所述的一種恒拉力裝置，其特征在于驅動盤(3)采用橡膠制成，被動盤(4 )用塑料或者碳纖維制成。
4.如權利要求I所述的一種恒拉力裝置，其特征在于驅動盤(3)和/或被動盤(4)用鈦或者鈦合金制成。
5.如權利要求I所述的一種恒拉力裝置，其特征在于電動機(2)采用空載時轉速為每分鐘3000轉，或3500轉，或4000轉，或4500轉，或5000轉的電動機。
6.如權利要求I所述的一種恒拉力裝置，其特征在于驅動盤(3)和被動盤(4)之間的滑動摩擦因數為O. 2—0. 25。
7.如權利要求6所述的一種恒拉力裝置，其特征在于驅動盤(3)和被動盤(4)之間的滑動摩擦因數為O. 22。
8.如權利要求I所述的一種恒拉力裝置，其特征在于電動機(2)采用功率為50W的電動機。
9.如權利要求I所述的一種恒拉力裝置，其特征在于細線(7)長度為2m。
10.如權利要求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，本發明涉及的是一種用于力學實驗、產生恒定拉力的力學教具。本發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。本發明包括外殼(1)、電動機(2)、驅動盤(3)、繞線筒(5)，且電動機(2)帶動驅動盤(3)旋轉，其特征是還包括被動盤(4)，且被動盤(4)由驅動盤(3)利用滑動摩擦來驅動，被動盤(4)與輕質繞線筒(5)為固定連接且同軸旋轉，繞線筒(5)上繞有細線(7)，且電動機(2)為高轉速電機，且電動機(2)的后方有一個彈簧(9)，驅動盤(3)和被動盤(4)的軸線在同一條直線上，彈簧(9)一端接觸電動機(2)，另一端接觸外殼(1)。
文檔編號G09B23/10GK102903283SQ20121043936
公開日2013年1月30日 申請日期2012年11月7日 優先權日2012年11月7日
發明者陳廷 申請人:陳廷