伯努利原理教学演示装置

1.本发明涉及教学辅助器械领域，尤其涉及伯努利原理教学演示装置。


背景技术：

2.伯努利原理一般是指流体在等高流动时，流速越大，其流体流动位置的压力就越小，在实际教学时，为了理解这一理论通常会阐述液体、气体等流体在不同环境下所产生的速度与压力的变化进行解释，伯努利原理应用最广泛的是机翼的上升原理，其基于机翼下方平面气流流速低于机翼上方弧面气流流速所形成的向上的压力差来形成机翼上升的原理进行阐述，而为了更直观地使学生理解这一原理，设计一种演示装置是必不可少的。
3.公告号为cn215007135u的中国专利公开了一种伯努利原理演示装置，其采用滑杆与滑槽之间的适配并且配合机翼来形成水平移动的结构，这种与滑杆呈一体式的结构的机翼，当气流吹动时，由于平面一侧压力大于弧面一侧的压力，二者产生的压力差会形成单一方向的推力，这会导致机翼受力不均产生倾倒现象，并不能够直观地感受到弧面表面流速与平面表面流速差所带来的的压力差。


技术实现要素：

4.本发明针对现有技术存在的不足，提供如下技术方案：
5.伯努利原理教学演示装置，包括：演示轨道、鼓风组件以及可移动地设置于演示轨道内的机翼模拟组件。
6.具体的，所述机翼模拟组件包括直线部与弧形部以及至少一个移动部，所述鼓风组件以直线部为方向向机翼模拟组件进行鼓风，所述鼓风组件鼓风形成的压力差驱使机翼模拟组件向一侧移动直至机翼模拟组件受力平衡并静止，当所述机翼模拟组件受力平衡时，所述移动部以直线部为对称轴位移至直线部对称的位置以驱使直线部与弧形部位置对换。
7.不仅能够在机翼模拟组件的表面形成气压差，进而驱使机翼模拟组件沿着演示轨道进行移动，而且能够在移动至平衡位置时驱动直线部与弧形部位置对换，这种情况下若风力不变会驱使以初始移动方向相反的方向进行移动，能够更直观地感受气流流速导致的气压差异。
8.作为上述技术方案的改进，所述机翼模拟组件包括有底板、顶板以及弹性薄膜，所述底板与顶板之间固定有至少两个定位轴，其中一个所述定位轴的外侧固定有阻尼轴套，所述阻尼轴套的一端固定有转板，所述弹性薄膜包覆在两个定位轴、以及转板的端部外侧形成三点定位的机翼状，所述弹性薄膜在两个所述定位轴成型的平面侧为直线部，所述弹性薄膜在转板端部成型的弧面为弧形部。
9.能够通过转板的转向来切换弹性薄膜突出部分的弧面的位置，当弧面位置切换后，相应的弧面与平面的气流流向和流速都发生转移，从而形成了反向移动的功能。
10.作为上述技术方案的改进，所述演示轨道包括有至少两组轨道组件，所述底板与
顶板的四个边角处均设置有转轮，所述轨道组件的内部设置有若干个轨道槽，所述转轮设置于轨道槽的内部。
11.通过转轮与轨道槽之间的配合不仅能够形成支撑效果，而且能够形成定位功能，将顶板与底板之间的相对位置固定，保证移动过程中不会出现其他方向的力的影响。
12.作为上述技术方案的改进，所述轨道组件的顶部设置有支撑架，所述支撑架的内侧设置有电性连接的红外感应开关以及强电磁铁，当所述机翼模拟组件受力平衡时，所述弧形部阻挡红外感应开关发出的红外线，所述强电磁铁产生-秒的强磁以驱使转板转向直至直线部与弧形部位置对换。
13.通过机翼模拟组件的移动形成对红外感应开关的遮挡，并以红外感应开关来对强电磁铁的通电和断电进行控制，以强电磁铁的通电来形成对转板的吸引，从而驱使转板转向，达到切换直线部与弧形部位置的目的。
14.作为上述技术方案的改进，所述红外感应开关与强电磁铁的数量均至少有两组，对称设置于支撑架的内侧，每组所述红外感应开关对应一组强电磁铁，所述支撑架的内侧设置有与强电磁铁一一对应的定位架，所述强电磁铁设置于定位架远离支撑架的一端。
15.以两组红外感应开关和强电磁铁分别设置在两侧，这种设置可以达到在两侧循环移动的目的，能够更直观地感受到气流流速对气压的影响。
16.作为上述技术方案的改进，所述转板设置于阻尼轴套的下半部分，所述阻尼轴套的上半部分固定有调节板，所述调节板为可磁性吸附材料，所述转板远离阻尼轴套的一端具有定位头，所述底板的表面开设有限位槽，所述定位头卡入限位槽的内部。
17.通过定位头与限位槽之间的限位形成对转板转动方向的限制，保证磁性吸附时能够保证转板转动的稳定性。
18.作为上述技术方案的改进，所述鼓风组件包括有导风罩，所述导风罩的内部开设有导风腔，所述导风腔的内部设置有鼓风机组，所述导风腔的内部位于鼓风机组的出气端设置有挡风网。
19.通过挡风网与鼓风机组的配合，能够形成更加稳定的气流，避免不同风扇吹出的气流相互影响，导致气流流向不稳。
20.作为上述技术方案的改进，所述导风罩的出风侧与其中一组轨道组件固定，两组所述轨道组件之间设置有挡风板，所述挡风板限制从导风罩出风侧吹出的气流的流向。
21.通过挡风板将气流限制在挡风板以下的高度，加强气流流向的稳定性，避免气流流向其他方向。
附图说明
22.图1为本发明整体的结构图；
23.图2为本发明的爆炸图；
24.图3为本发明的演示轨道、鼓风组件以及机翼模拟组件之间的连接图；
25.图4为本发明图2中a处的放大结构图；
26.图5为本发明图2中b处的放大结构图；
27.图6为本发明图3中c处的放大结构图；
28.图7为本发明的机翼模拟组件的内部结构图；
29.图8为本发明处于鼓风状态下的机翼模拟组件产生位移过程中的气流流向以及压力差方向的变化图；
30.图9为本发明的弹簧阻尼器与阻尼轴套相配合的连接图。
31.附图标记：10、演示轨道；11、轨道组件；111、轨道槽；12、支撑架；121、红外感应开关；122、定位架；123、强电磁铁；20、鼓风组件；21、导风罩；22、导风腔；23、鼓风机组；24、挡风网；30、机翼模拟组件；31、底板；311、转轮；312、限位槽；32、顶板；33、定位轴；331、阻尼轴套；332、转板；333、调节板；334、定位头；34、弹性薄膜；40、挡风板。
具体实施方式
32.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
33.现有技术中记载了一种伯努利原理演示装置，其采用滑杆与滑槽之间的适配并且配合机翼来形成水平移动的结构，这种与滑杆呈一体式的结构的机翼，当气流吹动时，由于平面一侧压力大于弧面一侧的压力，二者产生的压力差会形成单一方向的推力，这会导致机翼受力不均产生倾倒现象，并不能够直观地感受到弧面表面流速与平面表面流速差所带来的的压力差。
34.为了解决上述问题，请参阅图1-8，伯努利原理教学演示装置，包括：演示轨道10、鼓风组件20以及可移动地设置于演示轨道10内的机翼模拟组件30。
35.具体的，机翼模拟组件30包括直线部与弧形部以及至少一个移动部，鼓风组件20以直线部为方向向机翼模拟组件30进行鼓风，鼓风组件20鼓风形成的压力差驱使机翼模拟组件30向一侧移动直至机翼模拟组件30受力平衡并静止，当机翼模拟组件30受力平衡时，移动部以直线部为对称轴位移至直线部对称的位置以驱使直线部与弧形部位置对换。
36.以直线部作为鼓风组件20的鼓风方向，这样能够保证，气流流向与直线部所在的平面方向一致，这种情况下，弧形部所在的位置所产生的气流流向会产生变化，其表面的气流流速相对于平面方向上的气流流速更快，流速更高的地方气压相对于流速低的地方更低，从而形成了压力差，这种情况下压力差会形成在直线部位置有一个朝向弧形部的压力，这个压力会驱使机翼模拟组件30沿着压力的方向进行移动，即驱使机翼模拟组件30沿着演示轨道10进行移动，如图8中的a图所示。
37.在气流形成的压力差的不断推进下，机翼模拟组件30会移动至一个相对稳定的位置，即气流形成的压力差等于或者低于机翼模拟组件30的水平摩擦力，这种情况下，气压差无法推动机翼模拟组件30，这种情况下，机翼模拟组件30受力平衡，位置停止不动，如图8中的b图所示。
38.在b图所示的情况下移动部产生位移，并且位移到以直线部为对称轴的另一端的对应位置，这样移动部与直线部的位置产生了切换，由于气流仍然在保持流动，因此气压差仍然一致，但是其气压差的方向与初始状态的的方向相反，因此会产生与初始状态相反的移动方向，如图8中的c图所示。
39.这种情况下机翼模拟组件30会与图b中产生相同的情况，即同样会移动至压力差等于或者低于水平摩擦力，这种情况下，机翼模拟组件30停止，如图8中d图所示。
40.在d图状态下，移动部会与c图中产生路径相同方向相反的移动，即再次驱使气压差的方向恢复到初始状态即a图中的状态，如此往复形成驱使直线部与弧形部位置对换的目的，过程中能够直观地感受到气流流速与气压的关系。
41.在一个实施例中，请参阅图2与图5，机翼模拟组件30包括有底板31、顶板32以及弹性薄膜34，底板31与顶板32之间固定有至少两个定位轴33，其中一个定位轴33的外侧固定有阻尼轴套331，阻尼轴套331的一端固定有转板332，弹性薄膜34包覆在两个定位轴33、以及转板332的端部外侧形成三点定位的机翼状，弹性薄膜34在两个定位轴33成型的平面侧为直线部，弹性薄膜34在转板332端部成型的弧面为弧形部。
42.以转板332的转向来驱使弹性薄膜34产生形变，能够自由地控制弹性薄膜34表面的弧形部的位置，由于弹性薄膜34是以定位轴33来确定位置，因此当转板332产生形变时，两个定位轴33的切向位置的直线方向形成的平面即为直线部，转板332的端部与两个定位轴33连线的弧面位置作为弧形部，这种弧形部是以弹性薄膜34的表面形变产生的，因此当转板332转动至另一侧时，会产生相应的弹性膨胀或者收缩，不仅能够避免弹性薄膜34因为各点之间的连线路径降低而导致的松弛，而且由于往复切换的路径相同，因此不会过多地导致弹性薄膜34的弹性疲劳，即延缓了弹性薄膜34的使用寿命。
43.此外为了保证转板332转动后的稳定性，即保证转动停止后的转板332能够有足够的支撑力来对抗弹性薄膜34恢复形变的力，采用了阻尼轴套331，阻尼轴套331可以采用两种技术方案，一种是以阻尼材料制成轴套来进行安装，以材料的高阻尼性能来对抗弹性薄膜34恢复形变的力，这种结构在多次试验后可能会出现磨损，更换较为频繁；另一种是以弹簧阻尼器形成的阻尼结构，如图9所示，在阻尼轴套331的两端进行限制，形成阻尼效果，这种结构使用稳定，但造价更高，二者不仅可以单独使用，而且可以同时配合使用，由于阻尼轴套331所采用的技术方案为现有技术中所公开的内容，因此本实施例并未对其具体的技术方案进行限制。
44.由于本实施例所记载的设备是用来教学演示的，因此其设备需要保证编写，尽可能地简化不必要的结构，来方便教学演示，此外因为机翼的模拟采用了弹性薄膜34，若风力过大，可能会导致弹性薄膜34的表面出现凹坑，这可能会对机翼的模拟产生一定的影响，为了满足使用需求和降低实验过程中不稳定因素所带来的影响，请参阅图2与图6，演示轨道10包括有至少两组轨道组件11，底板31与顶板32的四个边角处均设置有转轮311，轨道组件11的内部设置有若干个轨道槽111，转轮311设置于轨道槽111的内部。
45.通过两组轨道组件11来对机翼模拟组件30的两个端部进行固定，配合转轮311来降低水平移动的摩擦力，即降低驱使机翼模拟组件30产生移动所需要的推力，避免鼓风组件20吹出的分力无法满足需求，即采用常规化的风扇之类的设备即可满足使用需求，从而降低了辅助设备的配备条件，更加方便使用。
46.由于采用了转轮311来降低机翼模拟组件30的水平摩擦力，因此吹到弹性薄膜34表面的风力不足以在弹性薄膜34的表面形成凹坑，避免了弹性薄膜34在强风下容易产生凹坑的这一不稳定因素。
47.在一个实施例中，请参阅图2、图4与图8，轨道组件11的顶部设置有支撑架12，支撑架12的内侧设置有电性连接的红外感应开关121以及强电磁铁123，当机翼模拟组件30受力平衡时，弧形部阻挡红外感应开关121发出的红外线，强电磁铁123产生2-5秒的强磁以驱使
转板332转向直至直线部与弧形部位置对换。
48.从图8a中可以看到红外感应开关121所示出虚线标识，其标识红外感应开关121射出的红外线并未被阻挡，而在图8b中，即机翼模拟组件30处于平衡状态下，此时红外感应开关121射出的红外线明显被弧形部所阻挡，这种情况下红外感应开关121给强电磁铁123一个电信号，驱使强电磁铁123通电并产生强磁，为了避免强磁对转板332的持续性影响，强磁仅维持2-5秒，保证转板332能够转动至极限位置即可，当强电磁铁123产生的强磁消失后，转板332失去外力，这种情况下，气流会重新在弹性薄膜34的外侧形成气压差，继续以气压差推动机翼模拟组件30进行移动，从而满足了切换直线部与弧形部的需求。
49.为了更直观地感受伯努利原理，需要满足机翼模拟组件30在演示轨道10上进行循环移动这一目的，具体的，请参阅图2与图7，红外感应开关121与强电磁铁123的数量均至少有两组，对称设置于支撑架12的内侧，每组红外感应开关121对应一组强电磁铁123，支撑架12的内侧设置有与强电磁铁123一一对应的定位架122，强电磁铁123设置于定位架122远离支撑架12的一端。
50.即将一组红外感应开关121与强电磁铁123作为一个响应整体，设置两组响应整体来分别响应机翼模拟组件30在两端进行切换的响应功能，这样当机翼模拟组件30移动到两个红外感应开关121的位置后分别进行一次直线部与弧形部的位置切换，这样配合鼓风组件20的鼓风能够达到驱动机翼模拟组件30在演示轨道10上循环移动的目的。
51.由于转板332以悬空的方式进行安装时会产生转板332与阻尼轴套331之间的连接处产生压力，在结构来回移动的状态下容易产生损坏，而以直接接触底板31的方式安装时容易与底板31之间产生挤压，这种情况下容易导致转板332出现断裂问题，为了解决这一问题，请参阅图2与图5，转板332设置于阻尼轴套331的下半部分，阻尼轴套331的上半部分固定有调节板333，调节板333为可磁性吸附材料，转板332远离阻尼轴套331的一端具有定位头334，底板31的表面开设有限位槽312，定位头334卡入限位槽312的内部。
52.以定位头334连接限位槽312来对转板332进行位置限制，这样即避免了转板332处于悬空状态，又避免了转板332直接与底板31的表面接触，在保证支撑稳定的情况下，降低了移动带来的扭曲，结构更加稳定。
53.此外，强电磁铁123不再直接吸附转板332，而是吸附调节板333，通过吸附调节板333来调整转板332的位置，这样能够降低材料的用料，即仅采用部分调节板333即可满足需求，转板332无需采用特定的材料。
54.由于鼓风组件20并非包括单一的风扇，其内部可能有多个风扇，而相邻的风扇之间会产生互相的影响，这就容易导致气流的流向产生不稳定的变化，为了降低相邻风扇之间的影响，具体的，鼓风组件20包括有导风罩21，导风罩21的内部开设有导风腔22，导风腔22的内部设置有鼓风机组23，导风腔22的内部位于鼓风机组23的出气端设置有挡风网24。
55.即采用导风罩21将鼓风机组23吹出的气流进行导向，并将这些气流导至挡风网24，通过挡风网24对气流进行梳流和降速，从而保证从导风罩21吹出的气流稳定且均匀，避免了鼓风机组23相邻风扇吹出的气流之间的影响。
56.在前述技术方案中，从导风罩21吹出的气流并未有任何限制，这就导致气流可能会吹向其他位置，这种情况下容易出现鼓风机组23吹出的风力强度不够的情况，为了解决这个问题，请参阅图1与图2，导风罩21的出风侧与其中一组轨道组件11固定，两组轨道组件
11之间设置有挡风板40，挡风板40限制从导风罩21出风侧吹出的气流的流向。
57.通过挡风板40在两个轨道组件11之间进行遮挡，气流从导风罩21出来以后只能够以直线和两侧这三个方向进行流动，这就保证了气流在直线流动状态下的强度，避免了在对机翼模拟组件30进行推动时气压强度不够的问题。
58.以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。

技术特征：
1.伯努利原理教学演示装置，其特征在于，包括：演示轨道(10)；鼓风组件(20)；以及可移动地设置于演示轨道(10)内的机翼模拟组件(30)，所述机翼模拟组件(30)包括直线部与弧形部以及至少一个移动部；所述鼓风组件(20)以直线部为方向向机翼模拟组件(30)进行鼓风，所述鼓风组件(20)鼓风形成的压力差驱使机翼模拟组件(30)向一侧移动直至机翼模拟组件(30)受力平衡并静止；当所述机翼模拟组件(30)受力平衡时，所述移动部以直线部为对称轴位移至直线部对称的位置以驱使直线部与弧形部位置对换。2.根据权利要求1所述的伯努利原理教学演示装置，其特征在于：所述机翼模拟组件(30)包括有底板(31)、顶板(32)以及弹性薄膜(34)，所述底板(31)与顶板(32)之间固定有至少两个定位轴(33)，其中一个所述定位轴(33)的外侧固定有阻尼轴套(331)，所述阻尼轴套(331)的一端固定有转板(332)，所述弹性薄膜(34)包覆在两个定位轴(33)、以及转板(332)的端部外侧形成三点定位的机翼状，所述弹性薄膜(34)在两个所述定位轴(33)成型的平面侧为直线部，所述弹性薄膜(34)在转板(332)端部成型的弧面为弧形部。3.根据权利要求2所述的伯努利原理教学演示装置，其特征在于：所述演示轨道(10)包括有至少两组轨道组件(11)，所述底板(31)与顶板(32)的四个边角处均设置有转轮(311)，所述轨道组件(11)的内部设置有若干个轨道槽(111)，所述转轮(311)设置于轨道槽(111)的内部。4.根据权利要求2所述的伯努利原理教学演示装置，其特征在于：所述轨道组件(11)的顶部设置有支撑架(12)，所述支撑架(12)的内侧设置有电性连接的红外感应开关(121)以及强电磁铁(123)，当所述机翼模拟组件(30)受力平衡时，所述弧形部阻挡红外感应开关(121)发出的红外线，所述强电磁铁(123)产生2-5秒的强磁以驱使转板(332)转向直至直线部与弧形部位置对换。5.根据权利要求4所述的伯努利原理教学演示装置，其特征在于：所述红外感应开关(121)与强电磁铁(123)的数量均至少有两组，对称设置于支撑架(12)的内侧，每组所述红外感应开关(121)对应一组强电磁铁(123)，所述支撑架(12)的内侧设置有与强电磁铁(123)一一对应的定位架(122)，所述强电磁铁(123)设置于定位架(122)远离支撑架(12)的一端。6.根据权利要求3-5任一所述的伯努利原理教学演示装置，其特征在于：所述转板(332)设置于阻尼轴套(331)的下半部分，所述阻尼轴套(331)的上半部分固定有调节板(333)，所述调节板(333)为可磁性吸附材料，所述转板(332)远离阻尼轴套(331)的一端具有定位头(334)，所述底板(31)的表面开设有限位槽(312)，所述定位头(334)卡入限位槽(312)的内部。7.根据权利要求6所述的伯努利原理教学演示装置，其特征在于：所述鼓风组件(20)包括有导风罩(21)，所述导风罩(21)的内部开设有导风腔(22)，所述导风腔(22)的内部设置有鼓风机组(23)，所述导风腔(22)的内部位于鼓风机组(23)的出气端设置有挡风网(24)。8.根据权利要求7所述的伯努利原理教学演示装置，其特征在于：所述导风罩(21)的出
风侧与其中一组轨道组件(11)固定，两组所述轨道组件(11)之间设置有挡风板(40)，所述挡风板(40)限制从导风罩(21)出风侧吹出的气流的流向。

技术总结
本发明涉及教学辅助器械领域，尤其涉及伯努利原理教学演示装置，包括：演示轨道、鼓风组件以及可移动地设置于演示轨道内的机翼模拟组件，具体的，所述机翼模拟组件包括直线部与弧形部以及至少一个移动部，所述鼓风组件鼓风形成的压力差驱使机翼模拟组件向一侧移动直至机翼模拟组件受力平衡并静止，当所述机翼模拟组件受力平衡时，所述移动部以直线部为对称轴位移至直线部对称的位置以驱使直线部与弧形部位置对换。本发明不仅能够在机翼模拟组件的表面形成气压差，进而驱使机翼模拟组件沿着演示轨道进行移动，而且能够在移动至平衡位置时驱动直线部与弧形部位置对换，能够更直观地感受气流流速导致的气压差异。感受气流流速导致的气压差异。感受气流流速导致的气压差异。


技术研发人员：孙锡良
受保护的技术使用者：中南大学
技术研发日：2023.03.17
技术公布日：2023/7/7