[发明专利]一种转动坐标系下自由落体实际加速度的测量装置及方法

权利要求书

1.一种转动坐标系下自由落体实际加速度的测量装置，其特征在于，包括离心机(1)、离心室(2)、以及设于离心室(2)内的外箱(3)和影像记录装置(6)，所述外箱(3)内设有中置架(4)和自由落体装置(5)，所述的自由落体装置(5)通过中置架(4)固定于外箱(3)内；所述自由落体装置(5)与中置架(4)之间的角度可调；所述的中置架(4)高度及其与外箱(3)底部之间的角度可调；所述的离心机(1)用于提供转动坐标系；所述的自由落体装置(5)用于发射小钢球(12)，所述的影像记录装置(6)用于记录小钢球(12)在转动坐标系下的运动；

所述的自由落体装置(5)由横梁(18)以及若干自由落体单元(11)组成；所述横梁(18)用于固定第一个自由落体单元，第一个自由落体单元用于固定第二个自由落体单元，依次类推直至固定所有自由落体单元(11)；所述自由落体单元(11)包括加速管、挡板(14)、连接孔(15)、连接杆(16)和紧固螺栓(17)组成；各自由落体单元(11)之间通过连接孔(15)、连接杆(16)相连，并通过紧固螺栓(17)固定，各自由落体单元(11)的高度可调节；所有加速管的方向相互平行；所述挡板(14)位于加速管上端，所述小钢球(12)置于挡板(14)上，抽出挡板(14)可同时发射多个小钢球(12)，所述小钢球(12)从加速管顶部入口运动至其底部出口时被加速，最终抛出后开始自由落体运动；

所述的中置架(4)底端与外箱(3)底部铰接，通过两个不同方向上的液压杆一(9)改变中置架(4)的竖直方向倾角；所述中置架(4)上端与自由落体装置(5)铰接，通过液压杆二(10)调整自由落体装置(5)的角度；

所述的外箱(3)顶部设有注水孔(7)和恒压孔(8)，通过注水孔(7)可对外箱(3)注满液体，通过恒压孔(8)对外箱(3)内部加压，从而模拟自由落体运动过程中的摩阻力。

2.根据权利要求1所述的转动坐标系下自由落体实际加速度的测量装置，其特征在于，所述挡板(14)的位置由步进电机(13)控制变化。

3.根据权利要求1所述的转动坐标系下自由落体实际加速度的测量装置，其特征在于，所述外箱(3)的侧壁材质为钢化玻璃，所述的影像记录装置(6)通过外箱(3)侧壁对小钢球(12)的运动进行拍摄记录。

4.根据权利要求3所述的转动坐标系下自由落体实际加速度的测量装置，其特征在于，所述外箱(3)的侧壁上贴有刻度标尺(19)，所述的影像记录装置(6)包括两台摄像方向相互垂直的高速摄影机(20)，两台高速摄影机(20)分别从两个方向对小钢球(12)的运动进行记录，即可得到小钢球(12)的三维运动轨迹。

5.一种转动坐标系下自由落体实际加速度的测量方法，其特征在于，基于权利要求1-4任一项所述的装置实现，基于离心机(1)建立转动坐标系，小钢球(12)通过自由落体装置(5)于不同旋转半径处进行自由落体运动，同时小钢球(12)的运动轨迹被高速摄影机(20)采集，处理计算出小钢球(12)在旋转坐标系下的运动方程；测试方法包括以下步骤：

步骤1：根据试验设计方案，将一定数量的自由落体单元(11)相连接，并固定至设计旋转半径方向高度；

步骤2：调整三个液压杆的角度，使自由落体单元(11)的位置能够使小钢球(12)在开始自由落体运动时能达到设定的初速度方向；开启步进电机(13)，将挡板(14)归位于加速管上方，将小钢球(12)放置于挡板(14)上；

步骤3：根据试验设计要求，通过注水孔(7)对外箱(3)内部注水注油，通过恒压孔(8)对外箱(3)内部加压，模拟自由落体运动中的阻力；

步骤4：打开影像记录系统(6)，对研究对象进行拍摄；

步骤5：将外箱(3)放置于离心室(2)上，开启离心机(1)，使之达到试验设计值；

步骤6：开启步进电机(13)，小钢球(12)在离心机(1)的离心力作用下向下运动，通过加速管时加速至试验设计初速度值以及试验设计自由落体初速度角度，下落过程中高速摄影机(20)拍摄记录下其运动轨迹；

步骤7：保存数据，关闭并清理试验仪器；对得到的数据进行分析处理。