[发明专利]非失重状态下的贾尼别科夫定理演示装置

说明书

本发明涉及一种非失重状态下的贾尼别科夫定理演示装置，其结构包括底座、悬浮平衡器、悬浮球和系统控制器。本发明通过悬浮平衡器与系统控制器的配合，可使悬浮球产生稳定的磁悬浮状态，悬浮球的特有三轴结构可以产生大、中、小三个不同的物体转动惯量，可实现在非失重状态下进行贾尼别科夫定理的演示和观察。本发明借助磁悬浮技术产生一个局部“失重”的环境，配以特有三轴结构的悬浮球，形成了一了个既具有悬浮能力，又可演示贾尼别科夫定理的演示装置。本发明演示装置的使用，使得平时难以观察和演示的贾尼别科夫定理在地面的自然重力环境中也可以长时间和互动的方式进行直接的观察和展示，使其更加易于理解和接受，从而能够起到一般视频描述和讲解难以起到的科普效果。

技术领域

本发明涉及一种物理学定理演示装置，具体地说是一种非失重状态下的贾尼别科夫定理演示装置。

背景技术

众所周知，任何一件刚性物体在空间直角坐标系中均有三个相互垂直的主轴，即X轴、Y轴和Z轴，本发明将其称为第一主轴、第二主轴和第三主轴。而且，除了均质的圆形球体和正立方体以外，围绕每个主轴的转动惯量均有差异。因此，该刚性物体在三个主轴上的转动惯量便有了大中小之分，并依次体现在三个主轴上。

在不受外加转矩的作用下，物体在转动时遵循的规律是：围绕着其转动惯量最大的主轴（第一主轴）或转动惯量最小的主轴（第三主轴）旋转时是稳定的，而围绕中间轴（第二主轴）的旋转则是不稳定的。所以，当物体在以第二主轴作为旋转轴进行旋转时，就会发生快速翻转的现象。这就是贾尼别科夫定理（或称为网球拍定理）的基本内容。

实际上，此类实验可以使用任何一个拥有三个转动惯量不同的主轴的刚性物体来完成，且其贾尼别科夫原理所产生的翻转效应只需要物体以其第二主轴为轴旋转即可显现，而与实验环境的空气阻力或重力无关。然而在一般情况下，该实验所涉及的物理现象只能在一个类似于太空实验室的失重环境之中才能清楚地展示和长时间进行观察。这是因为在地球的重力环境下，演示物体必然处于一个自由落体状态。一方面，演示物体本身的贾尼别科夫效应翻转和演示物体本身的下落混合在一起会难以区分；另一方面，当演示物体降落到地面时演示即告结束，使得观测者的观察时间很短。因此，观测者很难在长时间里仔细观察贾尼别科夫效应翻转的发生情况。

CN201921055633提供了一种失重环境模拟装置，该装置由控制电源产生输出信号，输出信号经过功率放大器后到达超声波发射端，引起发射端的压电陶瓷振动产生超声波，超声波到达反射端后其传输方向反向，反射后的超声波与反射前的超声波叠加形成驻波。超声波频率被控制在装置的固有频率附近，以实现最大功率的声波输出，进而可以实现对尘粒等微小物体的悬浮。但是，该专利所提供的对微小粒子产生的失重模拟环境，还不足以演示贾尼别科夫定理，因为其提供的悬浮支撑力是远远不够的。

CN2665841Y公开了一种大功率的失重仿真模拟器。该失重仿真模拟器通过在一个垂直风道中产生0～180公里时速的上升气流，产生足够的漂浮力以克服人体重力，使人体能在空中飘浮，从而体验到失重的感觉。然而，按此方法利用高速气流将一个刚性物体吹浮在空中而且能够使其稳定地漂浮，显然不是一件易事。

发明内容

本发明的目的之一就是提供一种非失重状态下的贾尼别科夫定理演示装置，以解决传统的贾尼别科夫定理演示需要在失重条件下才能较好演示的问题。

本发明的目的是这样实现的：

一种非失重状态下的贾尼别科夫定理演示装置，包括：

底座，用于支撑连接悬浮平衡器；

悬浮平衡器，为圆盘体，通过弧形支架支撑连接在所述底座的上方；在圆盘体的底面中心位置处设置有吸附悬浮球用的主吸磁体，在主吸磁体上绕接有对悬浮球的悬浮高度进行调控用的垂直控制线圈，环绕主吸磁体按中心对称形式设置有呈圆周态分布的若干辅助磁体，在每个辅助磁体上绕接有对悬浮球的水平位置进行调控用的水平控制线圈，在圆盘体的边缘按中心对称形式分布有若干检测悬浮球位置用的位置传感器，所有的位置传感器组成一个传感器组；所述垂直控制线圈、所述水平控制线圈和所述位置传感器均与系统控制器电连接；