技术领域

本发明涉及一种物理实验装置，尤其涉及一种用于车辆弯道平衡现象的实验装置及实验方法。

背景技术

火车、汽车等交通工具转弯时，由于惯性的存在，车辆保持着向前的力，要想让其转向，必须提供一个“向心力”，否则将越出轨道之外出现翻车事故。将拐弯处的轨道或路面设计成外高内低，有一定的倾斜度，用来抵消转弯时的“离心力”。这样只要解决了车辆转弯线路半径，通过速度，路面高度这三者的相互关系，就能保证车辆安全通过弯道。如图1所示，车身所需的向心力由路面支持力N和车身重力G的合力F来提供。设车的转弯半径为r，该处路面高为h，弯道处路面的倾斜角度为θ，则有：

$$ \frac{h}{r}=\frac{F}{G}---\left(1\right)$$

即$$ \frac{h}{r}=\frac{{\mathrm{m\ω}}^{2}r}{\mathrm{mg}}---\left(2\right)$$

可以得到车辆转弯线路半径、通过速度、路面高度三者的关系为

$$ h=\frac{{\mathrm{\ω}}^2}{g}{r}^2---\left(3\right)$$

式中m为车辆质量，g为重力加速度，ω为车辆转弯的角速度。

车辆通过弯道时的速度V与转弯半径及路面的倾斜角度之间的关系为

h＝rtgθ   (4)

V＝rω     (5)

可见当车辆以一定的角速度ω转弯时，h正比于转弯半径r的平方，即路面或轨道之横断面应该呈抛物线形。当车辆转弯半径、路面倾斜角度一定，车辆以rω的速度运行，车辆是平衡的。本发明的车辆弯道平衡演示装置及方法就是演示这一规律的。通过分析计算及实验验证，既可以作为物理教学中重要的实验装置，又可以为工程设计、车辆运行的安全速度设计等提供依据。

发明内容

本发明的目的是提供一种车辆弯道平衡实验装置及实验方法，以便于演示车辆的向心力与运动的平衡关系。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

车辆弯道平衡实验装置，包括：转盘1、抛物线板2、车辆模板3、支撑木条4、滑槽5、转轴孔6、光电门7、挡光片8、底座9；

所述的抛物线板2，上表面为按着转盘1的半径以及旋转的角速度与路面高度的关系计算出来的抛物面，在水平和垂直方向均具有刻度尺，抛物面顶部设有滑槽5，车辆模板3的底部圆柱形突起嵌入滑槽5内部，抛物线板2下表面固定在转盘1上，随转盘1一起转动。

所述的车辆模板3，下边缘为圆柱面，两边突出圆柱形嵌入滑槽5内部后，可以在抛物线板2上自由转动。

所述的支撑木条4下部为丁字形，嵌入抛物线板2上的滑槽5内，用于支撑车辆模板3，可以将车辆模板3立在滑槽上的任意位置处。

所述的车辆弯道平衡实验装置使用时，还需另备

直流电机一台，其参数为：

电压：直流48V～300V，转速800～5000转/分钟，重量2200克，功率200W。

电机长为146mm，直径为77mm，电机的轴径8mm，伸出轴长为14mm。

直流调速器一台，其参数为：

型号TDGC-0.5，功率500W，调速范围从零开始，直至仪器最大转速。

QS-R型转动惯量测试仪一台，和光电门7配套，以测量转盘1的转速。

QS-R型转动惯量测试仪工作过程是，首先在QS-R型转动惯量测试仪面板上设定重复次数，即转盘1转动的周期数，按“执行”键后，当转盘1上的挡光片8第一次通过光电门7时开始计时，同时状态指示的“计时”灯点亮。随着转盘1的转动，仪器开始连续计时，直到周期数等于设定值时，停止计时，计时指示灯随之熄灭，此时仪器显示所设定转盘1转动的周期数所用的总时间，进而可求出转盘1的转速。

所述的底座9内部安装直立的电机，电机轴嵌入转盘1的转轴孔6内，对整体装置起支撑作用，并带动转盘1转动。

本发明实施例还提供了车辆弯道平衡实验装置的实验方法，包括：

采用上述的实验装置；

采用图2所示车辆弯道平衡实验装置，首先将支撑木条4放在抛物线板2的滑槽5内，将车辆模板3支撑起来，使车辆模板3立在抛物线板2的斜面上并向转盘1的圆心方向倾斜。接通电源后，电机带动转盘1转动，车辆弯道平衡实验装置以一定的角速度转动，当转速达到一定值时，车辆模板3上部在离心力作用下向外张开，支撑木条4脱离支撑自动到下，而车辆模板3却能和抛物线板4保持相对静止，即站立在抛物线板4的倾斜表面上，随转盘1一起转动，犹如飞车走壁之状，说明车辆在此固定的转弯半径及转速下，当路面有一定的倾斜角度时，车辆转弯时产生的离心力被由于路面倾斜产生的向心力抵消了，车辆行驶是安全的，从而验证了车辆转弯半径、路面倾斜角度及车辆速度三者关系。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的车辆弯道平衡实验装置，通过分析计算及实验，可以验证车辆转弯半径、路面倾斜角度及车辆运行速度三者关系，既可以作为物理教学中重要的实验装置，又可以为工程设计、车辆安全运行等提供依据。实验过程精彩，操作方便快捷，成功率高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的车辆弯道平衡实验装置原理示意图。

图2为本发明实施例提供的车辆弯道平衡实验装置的结构示意图。

图3为本发明实施例提供的车辆弯道平衡实验装置中滑槽4的截面放大图。

图4为本发明实施例提供的车辆弯道平衡实验装置中车辆模板3的结构放大图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述。

车辆弯道平衡实验装置，包括：转盘1、抛物线板2、车辆模板3、支撑木条4、滑槽5、转轴孔6、光电门7、挡光片8、底座9；

所述的抛物线板2，上表面为当转盘1旋转的角速度ω一定时，由公式(3)计算出来的抛物面，本实施例中，取ω为6S-1。在抛物线板2的水平和垂直方向均具有刻度尺，用以确定车辆模板3所处位置的坐标值，抛物面顶部设有深度约为5毫米的滑槽5，车辆模板3的底部圆柱形突起嵌入滑槽5内部，抛物线板2固定在转盘1上，随转盘1一起转动。

在本实施例中，转盘1的半径为20厘米。

所述的车辆模板3高12厘米、宽6厘米、厚0.5厘米，下边缘带有圆柱形突起，嵌入滑槽4内，因为车辆模板3下边缘为圆柱面，所以可在抛物线板2上自由转动。

所述的支撑木条4下部为丁字形，嵌入滑槽5内，用于支撑车辆模板3。

当用支撑木条4将车辆模板3支起来时，通过支撑木条4和车辆模板3底部与滑槽5的摩擦力，可保证将车辆模板3稳定的站立在抛物线板2的斜面上。

本实验装置可以可以进行以下两个方面的实验。

1、验证公式(3)中h与r、ω三者关系

首先调节实验装置，使得转盘1平稳转动，调节光电门7的位置，使得挡光片8通过时，QS-R型转动惯量测试仪能正确记录转动周期，以计算转盘1的转速。

(1)按公式(3)计算出当ω为确定值时，改变r值3次计算出对应的h值，得到三组对应的h、r值，并以此数值为坐标，通过抛物线板2上的刻度尺确定车辆模板3在抛物线板2上的位置，用支撑木条4将车辆模板3支撑立在抛物线板2上，闭合电源开关，转盘1开始转动。

(2)调节直流调速器，使转盘1的转速平稳增大。

当车辆模板3刚好向外倾斜并“飞”出去时，停止调节调速器的加速操作，保持转盘1转速不变。

(3)用QS-R型转动惯量测试仪测出此时转盘1的转速并记录，测量完毕后调节调速器，使转盘停止转动。

(4)按步骤(1)的计算值，改变车辆模板3在抛物线板2上的位置，重复(2)、(3)的步骤，完成三组对应数据的测量。

在三次测量中可以看到，当转盘1的转速增大，车辆模板3刚好向外倾斜并“飞，，出去时，其角速度ω值是相同的，且和公式(3)计算的理论值相同，可以证明公式(3)成立。

2、验证车辆转弯半径、通过速度、路面高度三者关系

(1)用支撑木条4将车辆模板3支撑起来，并使车辆模板3向转盘1的圆心方向倾斜，闭合开关使车辆弯道平衡实验装置以一定的角速度转动。当转速达到一定值时，在离心力的作用下，车辆模板3上部向外张开，支撑木条4脱离支撑自动到下，而车辆模板3却能和抛物线板2保持相对静止，即站立在抛物线板2的倾斜表面上，随转盘1一起转动，犹如飞车走壁之状。说明车辆在此固定的转弯半径及转速下，当路面有一定的倾斜角度时，车辆行驶是安全的。

(2)改变转盘1的转速，车辆模板3的平衡将遭到破坏。

本实施例中，转盘1的转速为50转/分钟时，车辆模板3能相对转盘1静止站立；当转速低于40转/分钟时，车辆模板3倒向转盘1的圆心方向；当转速高于80转/分钟时，车辆模板3倒向转盘1的离心力方向。由此说明，如果把车辆模板3看作车辆的话，车辆通过这样的路面时，转速保持在40-80转/分钟，即行驶速度按V＝rω计算，设转盘1的半径为0.2米，则行驶速度为3-6千米/小时，车辆行驶是最安全的。也说明车辆经过这样的弯道时，安全行驶速度是一个速度区间，过高或过低都是不安全的。

本实施例推广到路面设计中，如某路面转弯半径为10米。当路面倾斜度为30度角时，按公式(3)、(4)、(5)计算，最平稳的车辆行驶速度约为24千米/小时。实际车辆均为两轮并行，重心位于两轮之间，使得安全行驶速度增加，并考虑到其它具体情况，一般小型轿车经过弯道时限速不超过30千米/小时。综上所述，当车辆转弯半径、路面倾斜角度一定时，车辆通行有一个安全的速度区间，当转弯速度超过规定值，就会发生翻车事故。

本仪器制作所需的材料易取，结构简单，容易制造，实验操作简便，可视度大，直观性强，生动形象，能直观地表现出车辆转弯时所产生的离心运动现象和向心运动现象，用于物理实验能客观地使学生深刻地认识和理解车辆转弯时的平衡条件，又可以为车辆安全运行的速度设计提供依据。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。