马格努斯效应探究实验装置与实验方法制造方法及图纸

一种马格努斯效应探究实验装置与实验方法，底座上设有发射机构

【技术实现步骤摘要】
马格努斯效应探究实验装置与实验方法


[0001]本专利技术属于流体力学教学仪器
，具体涉及马格努斯效应探究实验装置与实验方法
。

技术介绍

[0002]马格努斯效应是流体力学中的重要现象，是伯努利原理在更为复杂的流场中的一种表现
。
其主要体现为：当一个旋转物体的旋转角速度矢量与物体飞行速度矢量不重合时，在与旋转角速度矢量和平动速度矢量组成的平面相垂直的方向上将产生一个横向力
。
在这个横向力的作用下，物体飞行轨迹发生偏转的现象称作马格努斯效应
。
马格努斯效应在船舶
、
航空
、
风力发电领域，如转筒风帆
、
转柱舵
、
减摇装置
、
风力机优化
、
飞行器设计
、
旋转弹体等方面已有广泛的应用与研究
。
马格努斯效应是流体力学中的一个重要知识点，但其理论抽象，学生理解有一定的困难
。
因此，研制能直观有效的演示马格努斯效应的实验教学仪器非常必要
。
[0003]“弧旋球”或者“香蕉球”被认为是马格努斯效应的直观体现
。
也是物理课程向学生讲解马格努斯效应最典型的事例
。
但是“弧旋球”或者“香蕉球”并不是每一个学生都身临其境的看到
。
虽然已有多项的“弧旋球”发射模拟或者训练装置专利申请，但都是作为体育器械，均不能作为学生探究球体的旋转方向
>、
旋转速度和旋转角速度矢量
(
旋转轴的空间方向
)
对球体飞行轨迹
、
落地点的方位与远近影响规律的教学仪器
。
目前用于演示马格努斯效应的专利也有很多，如中国专利技术专利
(ZL201410480266.0)“马格努斯效应演示仪”和中国专利技术专利
(ZL201410501876.4)“一种马格努斯效应演示仪”，提供了一种用于科普演示的马格努斯效应演示仪
。
其特征是以风机作为气流源，通过改变气流场中旋转圆柱体的转动方向，演示旋转圆柱体由于马格努斯效应受到的横向力方向的改变
。
但对于“弧旋球”、“香蕉球”原理的揭示不直观
。
并且以普通风机为气流源在半开放或开放环境中难以形成高速气流，影响了演示效果
。
特别是旋转圆柱体的旋转角速度矢量
(
空间方向
)
只能通过圆柱体旋转方向改变，并且只有两个方向，不能满足学生通过自主改变旋转角速度矢量在空间的方向，探究物体旋转角速度矢量
(
空间方向
)
与物体飞行轨迹关系的实验需求
。

技术实现思路

[0004]本专利技术针对现有技术不能满足学生实验探究马格努斯效应的不足，提供一种直观演示和探究发射体的发射角
、
旋转速度
、
旋转方向与旋转角速度矢量
(
空间方向
)
的变化，对发射体飞行轨迹和落地点方位影响规律的马格努斯效应探究实验装置与实验方法
。
[0005]解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种马格努斯效应探究实验装置，底座上设置有发射机构
、
空气压缩机构
、
气量调节机构，所述发射机构包括角度指示盘，角度指示盘底部设置有发射角调节机构，角度指示盘中心通过动力进气管转动连接有透明的发射筒，发射筒的中心线与角度指示盘轴线重合，动力进气管贯穿设置在发射筒底部中心和角度指示盘中心，动力进气管上方发射筒内设置有与发射筒壁相连的悬浮座，悬浮座的中心
设置有导气管，动力进气管上端插入导气管内，悬浮座上放置有发射体，发射体与发射筒侧壁之间有间隙，动力进气管下端侧壁上设置有悬浮进气管，发射筒侧壁中部设置有关于中心线对称的左旋进气管和右旋进气管，右旋进气管下方发射筒侧壁上设置有反射式光电转速传感测量计，发射体上设置有用于向反射式光电转速传感测量计提供反射光信号的条形反射膜，所述空气压缩机构包括空气压缩机和连接在空气压缩机输出端的减压阀，空气压缩机构通过气量调节机构与左旋进气管和右旋进气管及动力进气管和悬浮进气管相连通
。
[0006]作为一种优选技术方案，所述发射体为球形发射体，所述悬浮座为球冠形
。
[0007]作为一种优选技术方案，所述发射体为圆柱发射体，所述悬浮座为弧形片状
。
[0008]作为一种优选技术方案，所述左旋进气管中心线和右旋进气管中心线与发射筒中心线的交点位于发射体静止状态时球形发射体的球心或者圆柱发射体中轴线下方且与球形发射体的球心或者圆柱发射体中轴线之间的距离
h
＝
2/3R
，
R
为发射体的半径
。
[0009]作为一种优选技术方案，所述左旋进气管和右旋进气管中心线与发射筒中心线之间的夹角为
α
，
20
°
≤
α
≤50
°
，所述左旋进气管或右旋进气管的内径是动力进气管内径的
1/4
倍，所述悬浮进气管的内径是动力进气管内径的
1/8
倍
。
[0010]作为一种优选技术方案，所述发射角调节机构包括左支柱
、
右支柱，左支柱
、
右支柱铰接在角度指示盘底部左右两侧，所述左支柱为固定杆，所述右支柱为伸缩杆
。
[0011]作为一种优选技术方案，所述气量调节机构包括空气布气管
、
左旋电磁阀
、
右旋电磁阀
、
动力电磁阀
、
可调电磁阀，空气布气管上设置有一个进气管
、
四个并列的出气管，空气布气管的进气管通过管道与空气压缩机构相连，四个出气管上分别安装左旋电磁阀
、
右旋电磁阀
、
动力电磁阀
、
可调电磁阀并通过管道与左旋进气管
、
右旋进气管
、
动力进气管
、
悬浮进气管对应连接
。
[0012]本专利技术还提供一种马格努斯效应探究实验装置的实验方法，包括以下步骤：
[0013]S1.
发射体无旋转时，发射体飞行轨迹的观察
[0014]S1.1.
打开动力电磁阀
、
右旋电磁阀
、
左旋电磁阀，开启空气压缩机构，调节空气压缩机构输出压力到预定值，然后关闭动力电磁阀
、
右旋电磁阀
、
左旋电磁阀；
[0015]S1.2.
发射体从发射筒的上口装入发射筒内；
[0016]S1.3.
转动发射筒使右旋进气管正好位于角度指示圆盘上0°本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种马格努斯效应探究实验装置，其特征在于：底座上设置有发射机构
、
空气压缩机构
、
气量调节机构，所述发射机构包括角度指示盘，角度指示盘底部设置有发射角调节机构，角度指示盘中心通过动力进气管转动连接有透明的发射筒，发射筒的中心线与角度指示盘轴线重合，动力进气管贯穿设置在发射筒底部中心和角度指示盘中心，动力进气管上方发射筒内设置有与发射筒壁相连的悬浮座，悬浮座的中心设置有导气管，动力进气管上端插入导气管内，悬浮座上放置有发射体，发射体与发射筒侧壁之间有间隙，动力进气管下端侧壁上设置有悬浮进气管，发射筒侧壁中部设置有关于中心线对称的左旋进气管和右旋进气管，右旋进气管下方发射筒侧壁上设置有反射式光电转速传感测量计，发射体上设置有用于向反射式光电转速传感测量计提供反射光信号的条形反射膜，所述空气压缩机构包括空气压缩机和连接在空气压缩机输出端的减压阀，空气压缩机构通过气量调节机构与左旋进气管和右旋进气管及动力进气管和悬浮进气管相连通
。2.
根据权利要求1所述马格努斯效应探究实验装置，其特征在于：所述发射体为球形发射体，所述悬浮座为球冠形
。3.
根据权利要求1所述马格努斯效应探究实验装置，其特征在于：所述发射体为圆柱发射体，所述悬浮座为弧形片状
。4.
根据权利要求2或3所述马格努斯效应探究实验装置，其特征在于：所述左旋进气管中心线和右旋进气管中心线与发射筒中心线的交点位于发射体静止状态时球形发射体的球心或者圆柱发射体中轴线下方且与球形发射体的球心或者圆柱发射体中轴线之间的距离
h
＝
2/3R
，
R
为发射体的半径
。5.
根据权利要求4任一项所述马格努斯效应探究实验装置，其特征在于：所述左旋进气管和右旋进气管中心线与发射筒中心线之间的夹角为
α
，
20
°
≤
α
≤50
°
，所述左旋进气管或右旋进气管的内径是动力进气管内径的
1/4
倍，所述悬浮进气管的内径是动力进气管内径的
1/8
倍
。6.
根据权利要求1所述马格努斯效应探究实验装置，其特征在于：所述发射角调节机构包括左支柱
、
右支柱，左支柱
、
右支柱铰接在角度指示盘底部左右两侧，所述左支柱为固定杆，所述右支柱为伸缩杆
。7.
根据权利要求1所述马格努斯效应探究实验装置，其特征在于：所述气量调节机构包括空气布气管
、
左旋电磁阀
、
右旋电磁阀
、
动力电磁阀
、
可调电磁阀，空气布气管上设置有一个进气管
、
四个并列的出气管，空气布气管的进气管通过管道与空气压缩机构相连，四个出气管上分别安装左旋电磁阀
、
右旋电磁阀
、
动力电磁阀
、
可调电磁阀并通过管道与左旋进气管
、
右旋进气管
、
动力进气管
、
悬浮进气管对应连接
。8.
根据权利要求7所述装置的实验方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.
发射体无旋转时，发射体飞行轨迹的观察
S1.1.
打开动力电磁阀
、
右旋电磁阀
、
左旋电磁阀，开启空气压缩机构，调节空气压缩机构输出压力到预定值，然后关闭动力电磁阀
、
右旋电磁阀
、
左旋电磁阀；
S1.2.
发射体从发射筒的上口装入发射筒内；
S1.3.
转动发射筒使右旋进气管正好位于角度指示圆盘上0°
标线方位，然后调节角度指示盘与水平面之间的夹角，使发射体的发射角为
70
°
～
80
°
；
S1.4.
打开动力电磁阀，动力进气管喷出的强大气流作用在发射体上，发射体快速发射
出发射筒，观察发射体的飞行轨迹，并标记落地点，同时关闭动力电磁阀；
S2.
发射体旋转速度大小对发射体飞行轨迹影响的观察
S2.1.
将发射体装入发射筒内，使发射体上粘贴的条状反光膜处于横向且条状反光膜长度方向的中部对准安装在发射筒上的反射式光电转速传感测量计；
S2.2.
转动发射筒使右旋进气管正好位于角度指示圆盘上0°
标线方位，然后调节角度指示盘与水平面之间的夹角，使发射体的发射角为
70
°
～
80
°
；
S2.3.
调节可调电磁阀，缓慢增大悬浮进气管中的进气量，同时观察位于悬浮座上的发射体，当发射体在悬浮座刚好悬浮起时，停止可调电磁阀的调节；
S2.4.
开启反射式光电转速传感测量计，打开右旋电磁阀
,
右旋进气管喷出气流，气流作用在发射体上，从发射筒的右侧观察，发射体顺时针旋转，同时观察反射式光电转速传感测量计，当发射体的转速达到
n1转
/min
时，
400≤n1≤600
，打开动力电磁阀，动力进气管喷出的强大气流作用在发射体上，发射体旋转着并快速发射出发射筒，观察发射体的飞行轨迹，并标记落地点，同时关闭动力电磁阀
、
右旋电磁阀，将发射体装入发射筒内，使发射体上粘贴的条状反光膜处于横向且条状反光膜长度方向的中部对准安装在发射筒上的反射式光电转速传感测量计；

【专利技术属性】
技术研发人员：卫芬芬，张宗权，
申请(专利权)人：陕西师范大学，
类型：发明
国别省市：