[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

说明书

本发明公开了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，本发明的试验装置主要包括：离心机、外箱、中置架、自由落体装置、影像记录装置等。本发明依托离心机，可对转动坐标系中不同高度处自由落体小球加速度进行监测，并通过影像记录系统采集小球在三维空间中的运动轨迹，通过人为控制转动坐标系参数，得到复杂受力情况下小球的运动方程。本发明解决了转动坐标系中自由落体运动小球的实际加速度测量问题，操作简单，试验结果准确，优势突出。通过本发明的实验装置可在室内开展转动坐标系下自由落体运动加速度的测量，提供研究用具以及测量用具。

技术领域

本发明属于转动坐标系中复杂受力情况下自由落体运动研究领域，涉及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。

背景技术

在自由落体运动研究中，大多为基础的、简单的单坐标系下的自由落体运动，仅需简单的计算公式即可得出其受力状态及运动轨迹，但天体物理研究以及科研工作中，物体运动坐标系并非一成不变的，简单的自由落体运动计算方式无法满足科研需要。在单一坐标系中，自由落体运动通过确定初始速度方向以及加速度大小，即可通过牛顿定律计算得出物体的运动轨迹；但是在转动坐标系中，随着物体的运动，其加速度方向和速度大小均与物体所处位置有关，参考系改变导致自由落体运动变得复杂。地球就是一个庞大的转动坐标系，在转动坐标系中的自由落体运动，除了受到万有引力的作用，还受到转动坐标系对运动物体的摩擦力，这会导致旋转过程中运动的物体，其加速度、加速度方向、速度方向均随着物体位置的改变而不停变化，以至于其运动变得复杂难明。

而现有的实验仪器中，转动坐标系下的自由落体运动尚难以实现，用于学术研究的试验仪器还需要进一步开发。

发明内容

本发明针对转动坐标系下自由落体运动实际加速度难以计算及测量等问题，并且科学研究过程中缺乏试验设备、教学用具不足的情况下，提出了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。本发明依托离心机建立转动坐标系，通过自由落体装置实现多个不同高度处小球的自由落体运动对比，通过影像记录系统对小球运动轨迹进行记录分析，通过注水/注油等方式改变自由落体过程中受到的阻力。具有适用性广泛、试验结果明晰、试验流程简单等诸多优点，解决了转动坐标系中自由落体运动实际加速度难以测量的问题。

本发明采取以下技术方案：

一种转动坐标系下自由落体实际加速度的测量装置，包括离心机、离心室、以及设于离心室内的外箱和影像记录装置，所述外箱内设有中置架和自由落体装置，所述的自由落体装置通过中置架固定于外箱内；所述自由落体装置与中置架之间的角度可调；所述的中置架高度及其与外箱底部之间的角度可调；所述的离心机用于提供转动坐标系；所述的自由落体装置用于发射小钢球，所述的影像记录装置用于记录小钢球在转动坐标系下的运动；

所述的自由落体装置由横梁以及若干自由落体单元组成；所述横梁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；所述自由落体单元包括加速管、挡板、连接孔、连接杆和紧固螺栓组成；各自由落体单元之间通过连接孔、连接杆相连，并通过紧固螺栓固定，各自由落体单元的高度可调节；所有加速管的方向相互平行；所述挡板位于加速管上端，所述小钢球置于挡板上，抽出挡板可同时发射多个小钢球，所述小钢球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。

上述技术方案中，进一步地，所述挡板的位置由步进电机控制变化。

进一步地，所述的中置架底端与外箱底部铰接，通过两个不同方向上的液压杆一改变中置架的竖直方向倾角；所述中置架上端与自由落体装置铰接，通过液压杆二调整自由落体装置的角度，进而改变自由落体单元的角度，改变小钢球的初速度方向及大小。

进一步地，所述的外箱顶部设有注水孔和恒压孔，通过注水孔可对外箱注满液体，通过恒压孔对外箱内部加压，从而模拟自由落体运动过程中的摩阻力。