一种浮重力转轮的制作方法

本发明涉及一种通过浮重力原理进行转动以显示浮力状态的转轮装置，特别涉及一种浮重力转轮。

背景技术：

浮力指物体在流体(包括液体和气体)中，各表面受流体(液体和气体)压力的差(合力)。公元前245年，阿基米德发现了浮力原理。浮力的定义式为f浮＝g排(即物体浮力等于物体下沉时排开液体的重力)，计算可用它推导出公式f浮＝ρ液gv排(ρ液：液体密度，单位千克/立方米；g：重力与质量的比值g＝9.8n/kg在粗略计算时，g可以取10n/kg，单位牛顿；v排：排开液体的体积，单位立方米)。液体的浮力也适用于气体。

由于地球的吸引而使物体受到的阻力，叫做重力。方向总是竖直向下，但不一定是指向地心的(只有在赤道和两极指向地心)。地面上同一点处物体受到重力的大小跟物体的质量m成正比，同样，当m一定时，物体所受重力的大小与重力加速度g成正比，用关系式g＝mg可以表示。

目前教学中缺少对浮重力的演示装置，本发明借助浮重力的基本原理，发明了一种浮重力转轮装置，通过该装置可以展示一个力，借助杠杆可以移动更大的石头，经过滑轮组可以吊起更重的物体。说明同样大小的力，经过不同的做工程序，可以产生不同的做工效果。

本发明的浮重力转轮，是通过机械构造设置，对螺线轮左右两侧大小相同的浮重力进行不同的做工程序控制，产生不同的做工效果，形成左、右两侧力矩差异，推动轮体转动。

技术实现要素：

本发明的浮重力转轮由以下组件组成：浮力箱1，轮轴2，纵向杆3，滑动装置4，滑动装置的锁定和开启装置5，浮球6，轮轴转动装置7，其中，浮力箱1侧面连接轮轴2，连接轮轴2上连接多个和连接轮轴2垂直的纵向杆3，纵向杆3上装有滑动装置4，和锁定装置，5，滑动装置4外端连接浮球6，连接轮轴2直通浮力箱1外侧，并和轮轴转动装置7相连接。

浮力箱1的形状可以是任何容器形状，如圆形筒状，方形或长方形筒状，采用透明或不透明的材料制备而成，可以是封闭的，也可以是开放式的，内部可以注入不同比重的流体，如空气，水，有机溶剂，乙醇，乙酸，油，盐水，水中可以加入颜色，优选两种不同比重的流体，两种流体分成两层，上层为比重轻的流体如油，下层为比重大的流体如盐水，其中所述的油选自植物油，如花生油，大豆油，菜籽油等。轮轴2安装在浮力箱1的中间位置，贯通于浮力箱1，可以自由旋转。纵向杆3的数量可以是1-1000的整数，优选为5-50的整数，更优选为20-40的整数。

滑动装置4安装在纵向杆3上，和纵向杆3平行，可在纵向杆3上自由滑动，可安装在其内腔中，也可安装在其外侧，

滑动装置的锁定和开启装置5，安装在纵向杆3上，靠近轮轴端，用于锁定和开启滑动装置4，

浮球6可以用任何比重小于水或其他液体或半液体的材料制备而成，大小和形状可以任意选择，优选直径大于纵向杆3的球形浮球。

轮轴转动装置7可以连接手柄或任何传动装置，如机械传动装置。

本发明用于展示浮力和重量原理，可以用于教学和科普知识的传播。

本发明的工作原理如下：

浮力箱是为力球或滑杆提供浮重力的容器，箱内分上(m)、下(w)两层装填“液体”或“油”或“空气气体”，下层“流体”(或“液体”、“气体”等)的“比重”(或“密度”)大于上层“流体”(或“液体”、“气体”等)的“比重”(或“密度”)，浮力箱有开放式和密闭式两种。开放式浮力箱有数口箱体、轮架固定架、“液体”或“油”或“空气气体”和调控阀组成，螺线轮安装在箱内的轮架固定架上。箱内“液体”或“油”或“空气气体”为液体和液体组合；调控阀有增量阀和减量阀，可根据高度需要调控“液体”或“油”或“空气气体”数量。密闭式浮力箱由密闭式箱体、轮架固定架、“液体”或“油”或“空气气体”和调控阀组成，箱内“液体”或“油”或“空气气体”为液体和液体，或气体和气体，或液体和气体组合；调控阀有增量阀、减量阀、增压阀、减压阀，可根据需要调控箱内流体量和压力。

螺线轮由轮架、轮体和伸缩臂组成。轮架由架体、轴承毂和水平固定器组成，轮架通过水平固定器和浮力箱内的轮架固定架衔接。轮体由轮轴、轮圈和滑道组成，轮体通轮轴、轴承安装在轮架轴承毂上，伸缩臂上的力球质点以轮轴心为圆心，运动的最大半径轨迹所在圆为轮体外圆，最小半径轨迹所在圆为轮体内圆。轮轴由轴体、轴承、轴滑道孔和重力闩组成，轴承安装在轮架轴承毂内衔接轴体和轮架。轴滑道孔是滑道的组成部分，内有重力闩，重力闩的密度适当大于w层的流体的密度，当浮力转轮力球行至y轴上半轴和内圆交点时，重力闩与滑杆重力闩皆扣合，闩住滑杆、锁定力球；当力球行至y轴下半轴和内园交点时，重力闩与滑杆重力闩槽分开，脱离滑杆，解锁力球。重力转轮力球的“锁定”和“解锁”点与之相反。轮圈由螺线条和滑道外口框组成。滑道是伸缩臂伸缩滑行的通道和轨道，有全滑道和半滑道两种，“全”和“半”是根据其与安装的伸缩臂长度比例相对而言的。全滑道包括直条、滑道外口框和轴滑道孔三部分，由6根平行的直条外端连接滑道外口框、内端连接轴滑道孔沿组成上、下两面(和轮轴心线平行的面)各2根直条，左右两面各1根直条，如果滑道过长可增设加强械梁。半滑道与全滑道不同的是在滑道通道内靠外口处安装一个滑道轮组，上、下两面各2轮，左、右两面各1轮，作为滑杆伸缩滑行时的摩擦转动轮。滑道轮组由6个滑道轮和1个滑道轮架组成。伸缩臂由力球、滑杆和滑杆轮组组成，安装在滑道内伸缩滑行。力球有球体式、球柱体式、圆方体式和长圆方体式等多些种类型，浮力转轮力球的密度小于m层的流体密度；力球体安装在滑杆外端顶部，是提供浮重力的质点。滑杆由杆体、行程链和重力闩槽组成。杆体有单体式、套娃式和开合式等多种类型，单体式滑杆为一根独杆，或空或实、或均匀或不均匀；套娃式滑杆分内杆和外杆，内外相套，可以伸缩；开合式滑杆为中空杆，杆筒内设有开合阀，对筒内空间自动开启或闭合。行程键是确定滑杆伸缩滑行距离的栓键。重力闩槽是配合重力闩闩住滑杆、“锁定”力球的凹槽。滑杆轮组由6个滑杆轮和1个滑杆轮架组成，有滑杆外轮组和滑杆内轮组两种，滑杆外轮组由滑杆外轮和滑杆外轮架组成，滑杆内轮组由滑杆内轮和滑杆内轮架组成。全滑道内的伸缩臂安装两个滑杆外轮组：在滑杆靠内外两端各安装一个，或两个都安装在靠外端处，或两个都安装在力球上，或一个安装在滑杆靠外端另一个安装在力球上，6个轮对应滑道6根直条；半滑道内的滑杆靠内端处安装一个滑杆外轮组，6个轮对应滑道六根直条。套娃式滑杆除安装和滑道对应的轮组外还要在内杆靠内端处安装一个滑杆外轮组，外杆筒内靠外端口处安装一个滑杆内轮组，形成内外杆间犹如滑杆和半滑道的关系形式。滑道轮和滑杆轮，也可以不用轮架直接安装在滑道、滑杆和力球上。浮力转轮滑杆、滑杆轮组的密度和w层的密度相同。

浮重力转轮，是通过机械构造设置，对螺线轮左右两侧大小相同的浮重力进行不同的做工程序控制，产生不同的做工效果，形成左、右两侧力矩差异，推动轮体转动。

本发明的工作原理可以见附图3

oa、ob分别为轮体外圆和内圆半径，分别代表力球质点“外展”到外圆和“归位”到内圆的伸缩臂。oa、ob和上(m)、下(w)浮力层界面线分别相交于a、b，力球在m层的浮力相交于gh长度滑杆的重量。h为浮力曾界面线和y轴的交点，g为力球在m层中的浮力，使滑杆端点高出浮力界面线的上限和y轴的高点(视力球为“算盘球”体，重心和滑杆端顶无距离)。

外圆、内圆，分别和x轴、线段oe、线段of、y轴相交于c、e、d、f、g、z。g、z分别为力球行至时的“锁定”和解锁点。螺线轮轮体为360°，左右两侧各180°，伸缩臂数量相同。

本设计方案的目的，是利用浮力和重力的相互作用，推动轮体转动。实现这个目的，必须打破左右两侧相持的力矩平衡。

1.根据方案构造设计轮体左侧力球质点在g点被“锁定”向左转到z点“解锁”，在半圆的行程中，始终被重力闩锁定在内圆上，右侧力球质点自z点开始即处于解锁状态，在左转到x轴的90°行程中，由于所处角度位置和自身浮力，也都被固定在内圆上。所以，x轴以下的左右两侧，力矩等量相持，为“平衡”区，可不予考虑。

2.＜eoc区间为力球“外展”前的角度区间，所以，＜eoc和＜fod区间的力矩也是等量相持，为“平衡角”，但角度大小是一个要考虑的因素。

3.右侧的力球质点越过“平衡角”，在自身浮力作用下，带动“无重力”状态的滑杆一同外展，力球质点至e点，加长了力臂。

4.右侧力球支点在外层状态下，越过浮力界面线，进入m层，由于流体密度差，滑杆开始显现出重力，浮力相应变小。力球牵引滑杆向上攀升，滑杆重力不断增加，当重力球质点到达k点时，滑杆重力和力球浮力达到大小相等，力球无力继续沿外圆攀升。由于力球浮力牵引和滑道管控，滑杆重力转换为轮轴轴心方向的势能。滑杆势能和力球浮力相互作用产生一个左上方向的力，形成新动量。该新动量的矢量为滑杆势能和力球浮力矢量平行四边形的夹角对角线。

根据矢量平行四边形法则，该新的动量方向是水平向左的，因为力球感应力只是支撑作用，滑杆势能如同往左下方拽带滑轮轨道的窗帘，是单向动力，所以，该新动量是矢量法则对角线的一半。

5.右侧力球质点在新动量的作用下，自k点到g点，“归位”到内圆，被锁定。

附图说明：

图1为本发明装置的正面主视图，其中浮力箱1，轮轴2，纵向杆3，滑动装置4，滑动装置的锁定和开启装置5，浮球6，轮轴转动装置7。

图2为本发明装置的侧面图。

图3为本发明装置的工作原理图。

具体实施方式：

以下通过实施例具体说明本发明。

实施例1

本发明装置的应用：

将本发明浮力箱1中注入水或其他液体，使小部分浮球在水面上，大部分浮球在水面下，转到轮轴转动装置7，即可对浮力和重力进行检测，其中当浮球转动到第一象限0-30度时，浮球在浮力和重力的作用下滑动装置将向外伸展滑动，当浮球转动到和第一象限30-90度时，浮球在浮力和重力的作用下滑动装置将向内滑动，90度时可回到原点。

浮力箱1的形状可以是圆形筒状，方形或长方形筒状，采用透明或不透明的材料制备而成。

轮轴2安装在浮力箱1的中间位置，贯通于浮力箱1，可以自由旋转。纵向杆3的数量可以是1-1000的整数，优选为5-50的整数，更优选为20-40的整数。

滑动装置4安装在纵向杆3上，和纵向杆3平行，可在纵向杆3上自由滑动，可安装在其内腔中，也可安装在其外侧，

滑动装置的锁定和开启装置5，安装在纵向杆3上，靠近轮轴端，用于锁定和开启滑动装置4，

浮球6可以用任何比重小于水或其他液体或半液体的材料制备而成，大小和形状可以任意选择，优选直径大于纵向杆3的球形浮球。

轮轴转动装置7可以连接手柄或任何传动装置，如机械传动装置。本发明用于展示浮力和重量原理，可以用于教学和科普知识的传播。

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