CN112924304A - 一种自由落体撞击实验装置及实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自由落体撞击实验装置，所述自由落体撞击实验装置包括机架、释放组件、撞击组件和观测组件，所述释放组件包括用于调节撞击物位置的位置调节器和用于释放撞击物的释放器，所述撞击组件包括撞击板，所述撞击板与所述机架可枢转地相连，且所述撞击板位于所述释放组件下方，所述撞击板由透明材质制成，所述观测组件包括平面反射镜，所述平面反射镜设在所述机架上且位于所述撞击板下方，所述平面反射镜与水平面之间的夹角可调所述第一高速摄像机与所述平面反射镜相对设置以便接收从所述平面反射镜反射的光线。本发明的自由落体撞击实验装置具有稳定性好、可靠性强、全方位多角度实时观测、易于调节的特点。

Description

一种自由落体撞击实验装置及实验方法

技术领域

本发明涉及实验设备技术领域，具体地，涉及一种自由落体撞击实验装置及实验方法。

背景技术

作为冲击的一种常见类型，自由落体撞击指的是一个具有质量的物体或结构以某一高度在重力作用下无初速度落下，撞击到另一个物体的行为，两个物体的接触过程具有非常复杂的力学和物理现象。事实上，由于撞击物和被撞击的遮挡，导致撞击点的变形过程无法被观测到，使得分析撞击过程的力学和物理现象变得更加困难，因此对自由落体撞击行为的研究就显得尤其重要。

发明内容

本发明是基于发明人对以下事实和问题的发现和认识做出的：

撞击物在碰撞前的处于不稳定自旋状态，碰撞时的状态无法被准确观测到，且撞击物和撞击装置的遮挡使观测点无法直接观测到，均对实验结果造成了极大的影响，使结果的分析比较困难。

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的实施例提出一种能够有效观测撞击过程的自由落体撞击装置。

根据本发明实施例的自由落体撞击实验装置包括机架、释放组件、撞击组件和观测组件，所述释放组件包括用于调节撞击物位置的位置调节器和用于释放撞击物的释放器，所述位置调节器设在所述机架顶部，且所述位置调节器在所述机架的顶部沿正交于所述机架的高度方向的方向可移动，所述撞击组件包括撞击板，所述撞击板与所述机架可枢转地相连，且所述撞击板位于所述释放组件下方，所述撞击板由透明材质制成，所述观测组件包括平面反射镜，所述平面反射镜设在所述机架上且位于所述撞击板下方，所述平面反射镜与水平面之间的夹角可调，所述第一高速摄像机与所述平面反射镜相对设置以便接收从所述平面反射镜反射的光线。

根据本发明实施例的自由落体撞击实验装置能够通过高速摄像机直接观测到撞击过程，同时消除撞击物初始速度对实验结果的影响，具有稳定性好、可靠性强、全方位多角度实时观测、易于调节和安全可靠的特点。

在一些实施例中，所述观测组件还包括第二高速摄像机，所述第二高速摄像机为多个，且多个所述第二高速摄像机环绕在所述机架外面，多个所述第二高速摄像机中的一者与所述撞击板在水平方向上相对设置。

在一些实施例中，所述观测组件还包括用于向所述平面反射镜发生光线的补光灯。

在一些实施例中，所述位置调节器包括：

第一螺杆，所述第一螺杆可旋转地设在所述机架上，所述第一螺杆沿第一水平方向延伸；

本体，所述本体与所述第一螺杆螺纹配合以便所述本体相对所述第一螺杆和所述机架沿所述第一水平方向移动，所述本体支撑在所述机架上；和

第二螺杆，所述第二螺杆沿第二水平方向延伸，所述第一水平方向和所述第二水平方向垂直，其中所述第二螺杆与所述本体螺纹配合以便所述第二螺杆相对所述本体和所述机架沿所述第二水平方向移动。

在一些实施例中，所述释放器为夹绳器，所述释放组件还包括

连接绳，所述连接绳的一端与所述撞击物相连，另一端与所述夹绳器相连；

第三螺杆，所述第三螺杆可旋转地设在所述机架上，所述第三螺杆沿第二水平方向延伸；

第一定滑轮，所述第一定滑轮设在所述第二螺杆上；和

第二定滑轮，所述第二定滑轮设在所述第三螺杆上，所述连接绳的另一端依次穿过所述第一定滑轮和所述第二定滑轮与所述夹绳器相连。

在一些实施例中，所述撞击物为磁性材料，所述释放器为电磁控制器。

在一些实施例中，所述撞击组件还包括高度尺，所述高度尺用于测量所述撞击物在自由落体过程中的移动距离。

在一些实施例中，所述撞击组件还包括防护罩，所述防护罩设在所述撞击板上，所述防护罩由透明材质制成。

在一些实施例中，所述自由落体撞击实验装置还包括缓冲箱，所述缓冲箱设在所述机架的底部，所述缓冲箱具有向上开口的腔室，所述腔室内填充有缓冲介质。

根据本发明另一些利用根据上述实施例中的自由落体撞击实验装置实施的自由落体撞击实验方法，包括以下步骤：

对撞击物进行局部标定；

将撞击物与释放组件相连；

通过位置调节器调整撞击物位置；

调节撞击板的枢转角度；

打开高速摄像机的开关，释放撞击物，进行实验并摄像记录。

附图说明

图1是本发明实施例中自由落体撞击实验装置的结构示意图。

图2是图1中释放组件的结构示意图。

附图标记：

机架1，释放组件2，位置调节器21，第一螺杆211，本体212，第二螺杆213，释放器22，夹绳器221，连接绳23，第三螺杆24，第一定滑轮25，第二定滑轮26，撞击组件3，撞击板31，高度尺32，防护罩33，观测组件4，平面反射镜41，第一高速摄像机42，第二高速摄像机43，补光灯44，缓冲箱5，撞击物6。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参考附图描述根据本发明实施例的自由落体撞击模拟实验装置。

根据本发明实施例的自由落体撞击实验装置包括机架1、释放组件2、撞击组件3和观测组件4。

释放组件2包括用于调节撞击物6位置的位置调节器21和用于释放撞击物6的释放器22，位置调节器21设在机架1顶部，且位置调节器21在机架1的顶部沿正交于机架1的高度方向的方向可移动。

如图1所示，机架1的顶部设有位置调节器21，位置调节器21在左右方向上可以调节撞击物6的位置，位置调节器21也可在前后方向上调节撞击物6的位置，在机架1的左侧设的释放器22将撞击物6由悬挂静置状态释放，使撞击物6开始自由落体运动。

撞击组件3包括撞击板31，撞击板31与机架1可枢转地相连，且撞击板31位于释放组件2下方，撞击板31由透明材质制成。

如图1所示，撞击板31位于释放组件2的正下方，以便撞击物6释放后经过自由落体运动后与撞击板31发生撞击，撞击板31的左侧边与机架1枢接，机架1上设有多个调节螺杆，调节螺杆在机架1上可旋转，且调节螺杆相对机架1可沿上下方向移动以调节撞击板31相对机架1的枢转角度，从而调节撞击物6与撞击板31的撞击角度。可以理解地是，撞击板31的枢转角度调节方式并不限于此，例如还可以通过液压杆调节。撞击板31由透明材质制成，使撞击过程可直接观测。

观测组件4包括平面反射镜41和第一高速摄像机42，平面反射镜41设在机架1上且位于撞击板31下方，平面反射镜41与水平面之间的夹角可调。

如图1所示，平面反射镜41设在撞击板31正下方的机架1上，平面反射镜41的前侧边与机架1枢接，机架1上设有支架以调整平面反射镜41的后侧边的高度，以使平面反射镜41与水平面之间的夹角改变，将反射的光线角度改变，使撞击板31上发生的撞击可以在机架外观测到。可选地，平面放射镜41与水平面之间的夹角调整为45度，撞击板31上发生的撞击可以在水平方向上观测到。

第一高速摄像机42与平面反射镜41相对设置以便接收从平面反射镜41反射的光线。

如图1所示，第一高速摄像机42位于机架1的前侧，撞击板31上发生的撞击经平面反射镜41反射后，从平面反射镜41反射的光线由第一高速摄像机42接收，完成实验过程的记录。

根据本发明实施例的自由落体撞击实验装置，位置调节器21调节撞击物6的位置，对撞击物6进行悬挂静置消除其初始自旋和速度，撞击板31角度可调，第一高速摄像机42与平面反射镜41配合观测，能够直接观测到撞击过程，具有全方位多角度实时观测、易于调节和安全可靠的特点。

在一些实施例中，观测组件4还包括第二高速摄像机43，第二高速摄像机43为多个，且多个第二高速摄像机43环绕在机架1外面，多个第二高速摄像机43中的一者与撞击板31在水平方向上相对设置。

如图1所示，机架1外面可设置多个第二高速摄像机43，用于观测记录不同角度的撞击过程，其中有一台第二高速摄像机43在前后方向上与撞击板31相对设置，以在前后方向上观测记录撞击板31与撞击物6的撞击过程。

本发明实施例的自由落体撞击实验装置，通过设置多个第二高速摄像机43，可以将不同角度的撞击过程记录，使实验数据更加准确、丰富。

在一些实施例中，观测组件4还包括用于向平面反射镜41发生光线的补光灯44。

如图1所示，机架1上还设有补光灯44，用于减轻光线不足对第一高速摄像机42和第二高速摄像机43的影响，避免影响实验数据的准确性。

在一些实施例中，位置调节器21包括第一螺杆211、本体212和第二螺杆213，第一螺杆211可旋转地设在机架1上，第一螺杆211沿第一水平方向延伸，本体212与第一螺杆211螺纹配合以便本体212相对第一螺杆211和机架1沿第一水平方向移动，本体212支撑在机架1上，第二螺杆213沿第二水平方向延伸，第一水平方向和第二水平方向垂直，其中第二螺杆213与本体212螺纹配合以便第二螺杆213相对本体212和机架1沿第二水平方向移动。

如图1-2所示，第一螺杆211沿左右方向设在机架1上，且可在机架1上旋转，本体212的前侧和后侧均支撑在机架1上，本体212与第一螺杆211通过螺纹配合，使本体212可在第一螺杆211的驱动下沿左右方向相对机架1移动，第二螺杆213沿前后方向设在本体212上，且第二螺杆213与本体212螺纹配合，第二螺杆213可在本体212上沿前后方向相对本体212移动。

本发明实施例的自由落体撞击实验装置，本体212与第一螺杆211通过螺纹配合使撞击物6可在水平方向上移动，第二螺杆213与本体212螺纹配合使撞击物6可在前后方向上移动，能够调节撞击物6的位置，使实验数据更加丰富多样。

在一些实施例中，释放器22为夹绳器221，释放组件2还包括连接绳23、第三螺杆24、第一定滑轮25和第二定滑轮26，连接绳23的一端与撞击物6相连，另一端与夹绳器221相连，第三螺杆24可旋转地设在机架1上，第三螺杆24沿第二水平方向延伸，第一定滑轮25设在第二螺杆213上，第二定滑轮26设在第三螺杆24上，连接绳23的另一端依次穿过第一定滑轮25和第二定滑轮26与夹绳器221相连。

如图1-2所示，机架1的左侧设有第三螺杆24，第三螺杆24沿前后方向可旋转地设在机架1上，第一定滑轮25设在第二螺杆213上，第二定滑轮26设在第三螺杆24上，连接绳23的右端与撞击物6相连，连接绳23的左端依次穿过第一定滑轮25和第二定滑轮26与夹绳器221相连，第一定滑轮25在第二螺杆213上可沿前后方向移动，第二定滑轮26在第三螺杆24上可沿前后方向移动，通过第一定滑轮25和第二定滑轮26可约束连接绳23的方位，稳定连接绳23的状态。

在一些实施例中，撞击物6为磁性材料，释放器22为电磁控制器。

若撞击物6为磁性材料，可使用电磁控制器做为释放器22，通过电磁控制撞击物6的释放，电磁控制器可有效减少释放器22产生的阻力，提高实验结果的精度。

在一些实施例中，撞击组件3还包括高度尺32，高度尺32用于测量撞击物6在自由落体过程中的移动距离。

如图1所示，机架1上还设有高度尺32，高度尺32位于撞击板右侧，可在撞击物6在自由落体过程中测量撞击物6的高度位置，同时不会干扰撞击物6的自由落体运动，通过第二高速摄像机43记录的碰撞前某两个时刻撞击物6在高度尺32上的高度位置，可以计算出撞击物6的瞬时速度。

在一些实施例中，撞击组件3还包括防护罩33，防护罩33设在撞击板31上，防护罩33由透明材质制成。

如图1所示，撞击板31上方还设有防护罩33，防护罩33用于防止撞击物6在撞击后产生的飞溅物对实验装置和使用人员产生伤害，防护罩33也由透明材质制成，避免对第二高速摄像机43的观测记录造成影响。

在一些实施例中，自由落体撞击实验装置还包括缓冲箱5，缓冲箱5设在机架1的底部，缓冲箱5具有向上开口的腔室，腔室内填充有缓冲介质。

如图1所示，机架1的底部设有缓冲箱5，缓冲箱5为向上开口的箱体，箱体内填充有缓冲介质，用于保护撞击物6，缓冲箱5用于在实验开始前，单独调试释放组件2使用，防止因释放组件故障影响实验进度。

根据本发明的实施例还提出了一种利用根据上述实施例中的自由落体撞击实验装置实施的自由落体撞击实验方法，包括以下步骤：

对撞击物6进行局部标定；

将撞击物6与释放组件2相连；

通过位置调节器21调整撞击物6位置；

调节撞击板31的枢转角度；

打开高速摄像机的开关，释放撞击物6，进行实验并摄像记录。

根据本发明实施例自由落体撞击实验方法，通过对撞击物6进行局部标定判断撞击过程中撞击物6的状态，该标记应处于整个撞击物中部靠近撞击区的位置。若位置偏上，则测量的瞬时速度与实际撞击速度偏差较大；若标记位置偏下则撞击开始后标记位置很快被损坏，导致含有效数据的区间过短。将撞击物6与释放组件2相连，通过调节撞击物6与连接绳23的连接长度调节撞击速度，通过位置调节器21调整撞击物6位置调节撞击区域位置，通过调节撞击板31的枢转角度调节撞击角度，可实现多状态下的撞击实验，设置多个高速摄像机实现全方位、多角度实时观测撞击过程，同时得到速度和形貌信息，尤其是对撞击接触面形貌变化过程进行直接的原位观测。

根据本发明实施例自由落体撞击实验方法，具有稳定性好、可靠性强、全方位多角度实时观测、易于调节、安全可靠和数据丰富的特点。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种自由落体撞击实验装置及实验方法，其特征在于，包括：

机架；

释放组件，所述释放组件包括用于调节撞击物位置的位置调节器和用于释放撞击物的释放器，所述位置调节器设在所述机架顶部，且所述位置调节器在所述机架的顶部沿正交于所述机架的高度方向的方向可移动；

撞击组件，所述撞击组件包括撞击板，所述撞击板与所述机架可枢转地相连，且所述撞击板位于所述释放组件下方，所述撞击板由透明材质制成；和

观测组件，所述观测组件包括平面反射镜和第一高速摄像机，所述平面反射镜设在所述机架上且位于所述撞击板下方，所述平面反射镜与水平面之间的夹角可调，

所述第一高速摄像机与所述平面反射镜相对设置以便接收从所述平面反射镜反射的光线。

2.根据权利要求1所述的自由落体撞击实验装置，其特征在于，所述观测组件还包括第二高速摄像机，所述第二高速摄像机为多个，且多个所述第二高速摄像机环绕在所述机架外面，多个所述第二高速摄像机中的一者与所述撞击板在水平方向上相对设置。

3.根据权利要求2所述的自由落体撞击实验装置，其特征在于，所述观测组件还包括用于向所述平面反射镜发生光线的补光灯。

4.根据权利要求1所述的自由落体撞击实验装置，其特征在于，所述位置调节器包括：

第一螺杆，所述第一螺杆可旋转地设在所述机架上，所述第一螺杆沿第一水平方向延伸；

本体，所述本体与所述第一螺杆螺纹配合以便所述本体相对所述第一螺杆和所述机架沿所述第一水平方向移动，所述本体支撑在所述机架上；和

第二螺杆，所述第二螺杆沿第二水平方向延伸，所述第一水平方向和所述第二水平方向垂直，其中所述第二螺杆与所述本体螺纹配合以便所述第二螺杆相对所述本体和所述机架沿所述第二水平方向移动。

5.根据权利要求4所述的自由落体撞击实验装置，其特征在于，所述释放器为夹绳器，所述释放组件还包括

连接绳，所述连接绳的一端与所述撞击物相连，另一端与所述夹绳器相连；

第三螺杆，所述第三螺杆可旋转地设在所述机架上，所述第三螺杆沿第二水平方向延伸；

第一定滑轮，所述第一定滑轮设在所述第二螺杆上；和

第二定滑轮，所述第二定滑轮设在所述第三螺杆上，所述连接绳的另一端依次穿过所述第一定滑轮和所述第二定滑轮与所述夹绳器相连。

6.根据权利要求1所述的自由落体撞击实验装置，其特征在于，所述撞击物为磁性材料，所述释放器为电磁控制器。

7.根据权利要求1所述的自由落体撞击实验装置，其特征在于，所述撞击组件还包括高度尺，所述高度尺用于测量所述撞击物在自由落体过程中的移动距离。

8.根据权利要求1所述的自由落体撞击实验装置，其特征在于，所述撞击组件还包括防护罩，所述防护罩设在所述撞击板上，所述防护罩由透明材质制成。

9.根据权利要求1所述的自由落体撞击实验装置，其特征在于，还包括缓冲箱，所述缓冲箱设在所述机架的底部，所述缓冲箱具有向上开口的腔室，所述腔室内填充有缓冲介质。

10.一种利用根据权利要求1-9中任一项所述的自由落体撞击实验装置实施的自由落体撞击实验方法，其特征在于，包括以下步骤：

对撞击物进行局部标定；

将撞击物与释放组件相连；

通过位置调节器调整撞击物位置；

调节撞击板的枢转角度；

打开高速摄像机的开关，释放撞击物，进行实验并摄像记录。

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