一种恒拉力装置

摘要

一种恒拉力装置，本发明涉及的是一种用于力学实验、产生恒定拉力的力学教具。本发明的有益效果是：提供了一种施加恒定拉力的方案，该方案不用悬吊重物的就可以获得恒定拉力。本发明包括外壳（1）、电动机（2）、驱动盘（3）、绕线筒（5），且电动机（2）带动驱动盘（3）旋转，其特征是：还包括被动盘（4），且被动盘（4）由驱动盘（3）利用滑动摩擦来驱动，被动盘（4）与轻质绕线筒（5）为固定连接且同轴旋转，绕线筒（5）上绕有细线（7），且电动机（2）为高转速电机，且电动机（2）的后方有一个弹簧（9），驱动盘（3）和被动盘（4）的轴线在同一条直线上，弹簧（9）一端接触电动机（2），另一端接触外壳（1）。

权利要求

1.一种恒拉力装置，包括外壳(1)、电动机(2)、驱动盘(3)、绕线筒(5)，且电动机(2)带动驱动盘(3)旋转，其特征是：还包括被动盘(4)，且被动盘(4)由驱动盘(3)利用滑动摩擦来驱动，被动盘(4)与轻质绕线筒(5)为固定连接且同轴旋转，绕线筒(5)上绕有细线(7)，且电动机(2)为高转速电机，且电动机(2)的后方有一个弹簧(9)，驱动盘(3)和被动盘(4)的轴线在同一条直线上，弹簧(9)一端接触电动机(2)，另一端接触外壳(1)，且：驱动盘(3)和被动盘(4)接触面的形状都为圆形，且：驱动盘(3)采用橡胶制成，被动盘(4)用塑料或者碳纤维制成，且：电动机(2)采用空载时转速为每分钟3000转，或3500转，或4000转，或4500转，或5000转的电动机，且：驱动盘(3)和被动盘(4)之间的滑动摩擦因数为0.22，

且：电动机(2)采用功率为50W的电动机，

且：细线(7)长度为2m，

且：绕线筒(5)的直径是3cm—4cm。

说明书

一种恒拉力装置

技术领域

[0001] 本发明涉及一种力学教具，具体的说，涉及的是一种产生恒定拉力的力学教具。

背景技术

[0002] 力学实验中，常常要对物体施加恒定的拉力，倘若物体是静止的，那么用手拿着弹簧测力计就可以很容易的施加恒定拉力，倘若物体是运动的，手持弹簧秤施加力量就无法保证恒定，现有教学中常常用悬挂物体的方法来施加恒定的拉力，但是这样的方法操作比较复杂。

发明内容

[0003] 为了克服现有教具的不足, 本发明提出一种恒拉力装置，本发明可以对物体施加恒定的拉力。

[0004] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种恒拉力装置，包括外壳，电动机带动驱动盘，被动盘由驱动盘利用滑动摩擦来驱动，其特征是：被动盘与轻质绕线筒为固定连接且同轴旋转，绕线筒上绕有细线，且电动机为高转速电机，且电动机的后方有一个弹簧，弹簧一端接触电动机，另一端接触外壳。

[0005] 本发明解决技术问题所依据的原理是：根据滑动摩擦力的计算公式，可以知道滑动摩擦力等于压力乘以滑动摩擦因数（滑动摩擦因数也叫做滑动摩擦系数，也叫动摩擦因数，也叫动摩擦系数。），两个物体间的滑动摩擦力受速度的影响是可以忽略的。

[0006] 电动机使驱动盘高速旋转，驱动盘使被动盘受到摩擦的作用而旋转，并且被动盘受到的是滑动摩擦，因为驱动盘和被动盘之间的压力是恒定的，所以，被动盘受到的滑动摩擦力是恒定的，所以，与被动盘采用固定连接的绕线筒绕线的力也是恒定的，尽管绕线的力不一定等于驱动盘和被动盘之间的滑动摩擦力，但是绕线的力是恒定的，所以，线对重物施加了恒定了拉力。

[0007] 调节被动盘和驱动盘之间的压力大小，就可以改变被动盘受到的滑动摩擦力，从而调节了线施加的拉力大小。

[0008] 本发明的有益效果是，提供了一种新的施加恒力的技术方案。

附图说明

[0009] 图1为本发明结构示意图。

[0010] 图中1-外壳，2-电动机，3-驱动盘，4-被动盘，5-绕线筒，6-绕线筒的轴，7-细线，8-电动机的轴，9-弹簧，10-重物。

具体实施方式

[0011] 下面结合附图，对本发明的设计和使用进一步说明。

[0012] 参看附图1，电动机2采用高转速电机，空载时，每分钟至少转2000转，实验发现，选择转速为每分钟3000转、3500转、4000转、4500转、5000转的电动机2具有相同的技术效果。电动机的轴8带动驱动盘3高速旋转，驱动盘3和被动盘4接触并且有不大的压力，所以被动盘4和驱动盘3之间是滑动摩擦力。如果驱动盘3和被动盘4接触并且有足够大的压力，那么被动盘4和驱动盘3之间的摩擦力就会为静摩擦力，导致被动盘4和驱动盘3有相同的角速度。被动盘4与轻质绕线筒5为固定连接，且同轴旋转，所以，被动盘4旋转会导致轻质绕线筒5的旋转，绕线筒5上绕有细线7，绕线筒5由绕线筒的轴6确定轴线。

[0013] 电动机2远离驱动盘3的一端被命名为电动机2的后方。

[0014] 电动机2的后方安装有弹簧9。弹簧9一端接触电动机2，另一端接触外壳1。

[0015] 需要增大细线7产生拉力时，调节弹簧9施加的压力，也就是改变弹簧9的长度，就可以使驱动盘3和被动盘4之间的压力改变，从而使被动盘4受到的摩擦力改变，需要说明的是：这时被动盘4受到的仍然是驱动盘3施加的滑动摩擦力，而非静摩擦力。被动盘4受到的摩擦力增大了，细线7产生的拉力就增大了。

[0016] 外壳1不仅起封装的作用，利用外壳1还方便确定绕线筒的轴6的位置。

[0017] 驱动盘3和被动盘4接触面的形状都为圆形，且接触面较光滑。驱动盘3采用橡胶制成，原因是：橡胶具有弹性，便于施加摩擦力，接触面较光滑的原因是：太粗糙的接触面会使驱动盘3和被动盘4之间的力为静摩擦力。被动盘4用塑料制成，原因是：塑料可以制成强度足够大的轻质片状。被动盘4也可采用碳纤维制成，理由是：碳纤维的强度大、密度小。

[0018] 驱动盘3也可以由钛或者钛的合金制成，因为钛和钛合金具有密度小、强度大的优点，同时，金属利于散热。温度的改变，对很多材料来说，会造成表面性质的改变，也就会导致滑动摩擦因数的改变，而用金属材料制作驱动盘3可以有很好的散热效果。同理：被动盘4也可以由钛或者钛合金制成。

[0019] 因为质量越大惯性越大，所以，绕线筒5和被动盘4质量要尽可能的小，这样可以减少对细线7拉力的影响。

[0020] 为了让细线7能牵引重物10，细线7的一端固定于绕线筒5，细线7的另一端在外壳1之外。因为重物10通常放置在轨道上，比如木板轨道、气垫导轨等，这些轨道的长度一般不超过2m，所以，细线7的总长以2m为宜。

[0021] 绕线筒5的直径在3cm—4cm为宜，直径太小的绕线筒5会导致细线7围绕绕线筒5的过程中，细线7的环绕直径变化很多，因为力矩的关系，会使细线7施加拉力改变。直径太大的绕线筒5会导致绕线筒5的惯性造成的影响太大，这会使细线7施加的拉力不恒定。
经试验发现：绕线筒5的直径在3cm—4cm可以使拉力非常接近恒定。

[0022] 细线7的长度不宜太长，太长的细线7会导致细线质量增大，同时，太长的细线7会导致细线7旋绕绕线筒5的过程中，细线7在绕线筒5上的厚度增加很多，从而造成圆周运动的半径发生变化，导致拉力就会有一些变化。

[0023] 使用的时候，让电动机2高速旋转， 于是驱动盘3高速旋转，在滑动摩擦力的作用下被动盘4旋转，细线7的一端连接有重物10，重物10受到的拉力恒定。

[0024] 被动盘4的理论最大转速就是和驱动盘3不打滑时的转速，所以，细线7的理论最大速度是确定的，在确定了细线7的最大速度和最大功率的前提下，由物理知识通过计算可以得到：重物质量不宜太小。

[0025] 倘若重物10质量非常小，细线7的质量也非常小，在恒定拉力下，细线7的速度可以达到非常大的速度，而电动机2的最大功率是确定的，由力学、运动学的知识可以得到：重物10的质量太小会使细线7的拉力不恒定。

[0026] 经试验发现：电动机2的功率在25W—50W之间，都可以较好的满足教学需要。若重物10的质量为50g，细线7施加拉力恒为2N，由牛顿第二定律和运动学公式可以计算出经过2m细线长的加速后，重物10的速度约为13m/s，此时细线7的拉力功率约为26W，为了保证电动机2有充足的功率应对各种损耗，同时为了保证给较小的重物10施加拉力时也能让拉力恒定，同时还兼顾本发明的体积不宜过大(通常情况下，功率较大的电动机体积也较大。)，电动机2的功率以50W为优选方案。

[0027] 当重物10静止时，细线7也静止，绕线筒5也静止，被动盘4也静止，被动盘4仍然受到驱动盘3施加的滑动摩擦力，所以，绕线筒5有转动的趋势，此时细线7对重物10仍然是施加拉力的，并且这个拉力和重物运动起来时的拉力是相等的。

[0028] 经试验发现，驱动盘3和被动盘4之间的滑动摩擦因数为0.2—0.25时，试验效果较好。滑动摩擦因数太小，会导致细线7产生的拉力太小，不适合教学的需要。滑动摩擦因数太大，会导致被动盘4很容易和驱动盘3之间产生静摩擦，并且导致调节驱动盘3和被动盘4之间的压力变的很困难。所以，为了使本发明适宜教学的需要，选择合适的滑动摩擦因数非常重要。经试验发现：本发明优选滑动摩擦因数为0.22。

[0029] 本发明的有益效果是：提供了一种施加恒定拉力的方案，该方案不用悬吊重物的就可以获得恒定拉力。