CN208922573U - 新型机械式微动斜面测量摩擦力系数实验仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种新型机械式微动斜面测量摩擦力系数实验仪，包括第一底座实验柜、第二底座实验柜、实验平面、转动斜面支架后前纵梁、转动斜面、游标尺盘、主尺盘、转动斜面固定杆、改变斜面倾角粗螺丝杆、改变斜面倾角粗螺丝杆螺圈；在转动斜面末端设置有转动斜面末端连接转动轴并套在转动斜面左右转动轴套筒内，在靠近转动斜面左右转动轴套筒一端的转动斜面末端连接转动轴上设置有转动斜面左右锁紧螺丝阻挡凸。本实用新型的有益效果是：将改变斜面倾角螺杆始端与转动斜面终端直接连接，转动斜面固定杆始端直接转动固定在转动斜面末端相应位置上，使之在转动斜面以上均没有突出部分，实验者操作和读取数据十分方便。

Description

新型机械式微动斜面测量摩擦力系数实验仪

技术领域

本实用新型专利涉及实验仪，尤其涉及一种新型机械式微动斜面测量摩擦力系数实验仪。

背景技术

测量动、静摩擦力系数有多种方法，其中斜面法无疑是诸多方法中最简单、最方便的一种。

虽然市场上和实验室已有各种材料的动、静摩擦力系数的测量仪器，但是就目前大、中学校实验室采用机械式微动斜面精确测量动静与圆柱体滚动摩擦力系数实验仪器还未看到。即便是国外也没有采用机械式自动精确调节斜面倾角的实验仪器。普遍采用的是手动提升斜面使斜面围绕低端转动轴转动来改变斜面倾角进行测量的陈旧方法，利用这种操作来改变斜面倾角精度低、误差大，而且连续改变斜面倾角的操作很难控制。目前，市面上有采用光电法精确测量斜面倾角，既耗电又不利于节能环保，而且物理意义不明确。申请者曾于2015年12月2日申请到专利号为ZL201310328276.8的“高精度微调斜面测量静动及圆柱体滚动摩擦力系数实验仪”发明专利，尽管采用了机械螺杆来连续精确改变斜面倾角测量各种材料动、静与圆柱体滚动摩擦力系数，但是仍然存在如下缺陷：(1)采用多个滑道与大直径主尺，浪费材料，造价高；(2)在转动斜面侧面固定游标尺较为困难且不稳定；(3)在转动斜面侧面固定游标尺滑道与斜面终端滑动轴滑道架，给实验者观察实验现象与参数测量带来了极大不便；(4)采用单游标读数会对转动斜面倾角测量带来一个无法消除的系统误差。鉴于此，申请者又于2017年6月18日申请了申请号为2017207082957的“机械式微动斜面测量摩擦力系数实验仪”专利。之后，我们又发现该实验仪仍然存在诸多缺陷：第一，实验仪装置整体偏低，必须放在实验台上才能进行方便的操作实验；第二，斜面转动固定杆与改变斜面倾角粗螺丝杆以及标尺系统均极大地超出实验仪转动斜面(实验台面)以上，极大地影响实验操作和实验数据测量，影响实验效果；第三，为了解决上述二问题，若将标尺系统下移，下移后又如何精确读取斜面转角，就需要对原来斜面转动轴做适当调整；第四，斜面转动固定杆与改变斜面倾角粗螺丝杆上端随斜面转动，需要对其以下部分改进，比如，提升斜面粗螺杆对应的粗螺圈机构，以及微动斜面的细螺圈结构和位置的设计与调整。

实用新型内容

本实用新型的目的是克服现有技术中的不足，提供一种新型机械式微动斜面测量摩擦力系数实验仪。

这种新型机械式微动斜面测量摩擦力系数实验仪，包括第一底座实验柜、第二底座实验柜、实验平面、转动斜面支架后前纵梁、转动斜面、游标尺盘、主尺盘、转动斜面固定杆、改变斜面倾角粗螺丝杆、改变斜面倾角粗螺丝杆螺圈、改变斜面倾角粗螺丝杆底端固定转动轴和改变斜面倾角细螺丝杆螺圈；

在转动斜面末端设置有转动斜面末端连接转动轴并套在转动斜面左右转动轴套筒内，在靠近转动斜面左右转动轴套筒一端的转动斜面末端连接转动轴上设置有转动斜面左右锁紧螺丝阻挡凸，在转动斜面左右锁紧螺丝阻挡凸内侧设置有转动斜面左右箍紧螺帽，当转动斜面倾角调节确定后，通过转动斜面左右箍紧螺帽将转动斜面末端连接转动轴固定至转动斜面左右转动轴套筒上；

与转动斜面末端连接转动轴相连的转动斜面末端固定套环套接于改变斜面倾角螺杆顶端内侧并采用转动斜面末端固定套环固定螺圈锁紧，改变斜面倾角螺杆顶端下端的改变斜面倾角微动移动杆与改变斜面倾角细螺丝杆螺圈滑动转动连接，改变斜面倾角细螺丝杆螺圈转动柄与改变斜面倾角细螺丝杆螺圈为一整体，改变斜面倾角细螺丝杆螺圈下端与改变斜面倾角粗螺丝杆上端的改变斜面倾角微动细螺丝杆螺接；改变斜面倾角粗螺丝杆螺穿过改变斜面倾角粗螺丝杆螺圈，下端延伸至第二底座实验柜的第二底座实验柜粗螺丝杆伸缩空档内，改变斜面倾角粗螺丝杆螺圈的改变斜面倾角粗螺丝杆螺圈套圈凹槽内套于改变斜面倾角粗螺丝杆底端固定转动轴的改变斜面倾角粗螺丝杆螺圈套圈内，改变斜面倾角粗螺丝杆螺圈转动柄与改变斜面倾角粗螺丝杆螺圈为一整体，改变斜面倾角粗螺丝杆螺圈在改变斜面倾角粗螺丝杆螺圈套圈内滑动转动，改变斜面倾角粗螺丝杆螺圈套圈与改变斜面倾角粗螺丝杆底端固定转动轴为一整体；

改变斜面倾角粗螺丝杆底端固定转动轴套在改变斜面倾角左右转动轴套筒内，改变斜面倾角左右转动轴套筒两端分别与转动斜面支架后前纵梁末端的后前端对应固接，改变斜面倾角粗螺丝杆底端固定转动轴在靠近改变斜面倾角左右转动轴套筒内端分别设置有改变斜面倾角左右锁紧螺丝阻挡凸，改变斜面倾角左右锁紧螺丝阻挡凸内侧设置有改变斜面倾角左右箍紧螺帽，当转动斜面倾角调节确定后，通过改变斜面倾角左右箍紧螺帽将改变斜面倾角粗螺丝杆底端转动轴固定至改变斜面倾角左右转动轴套筒上。

作为优选：转动斜面始端后前分别与转动斜面始端支撑腿固连，转动斜面始端支撑腿下端分别设置有后支撑腿空心转动轴与前支撑腿空心转动轴，前支撑腿空心转动轴与主尺盘底盘中心对应环固接，主尺盘底盘与主尺盘周边吻合固接成一体。

作为优选：转动斜面始端支撑腿固定转动轴从后往前依次穿过后支撑腿空心转动轴、转动斜面支架后前纵梁的后纵梁上的转动斜面后前支撑腿固定转动轴轴孔、转动斜面后支撑腿固定转动轴后螺卡圈、转动斜面前支撑腿固定转动轴前螺卡圈、转动斜面支架后前纵梁的前纵梁上的转动斜面后前支撑腿固定转动轴轴孔与前支撑腿空心转动轴至合适位置，转动斜面后支撑腿固定转动轴后螺卡圈将转动斜面支架后前纵梁的后纵梁与转动斜面始端支撑腿固定转动轴螺卡在一起，转动斜面前支撑腿固定转动轴前螺卡圈将转动斜面支架后前纵梁的前纵梁与转动斜面始端支撑腿固定转动轴螺卡在一起；游标尺盘从主尺盘底盘外侧沿转动斜面始端支撑腿固定转动轴方向套入轴并采用游标尺盘螺卡圈螺卡接，游标尺盘与主尺盘内侧以及与主尺盘底盘表面相吻合；游标尺盘边缘分别设置有左游标尺与右游标尺，左游标尺与右游标尺关于圆心对称，主尺盘上设置有主尺。

作为优选：左游标尺、右游标尺的外缘与主尺內缘吻合，主尺度量范围为0°～360°,游标尺精度为0′～30′。

作为优先：转动斜面、转动斜面始端支撑腿与主尺盘作为一个整体围绕转动斜面始端支撑腿固定转动轴转至某一倾角后用转动斜面固定杆进行稳固，转动斜面固定杆始端转动固定在转动斜面末端的转动斜面固定杆转动轴上，转动斜面固定杆中的转动斜面固定杆滑槽套于转动斜面支架后前纵梁的转动斜面固定杆滑轴上，在转动斜面固定杆滑轴外套一转动斜面固定杆卡块。

作为优选：在转动斜面固定杆卡块外表面、转动斜面固定杆滑轴延伸方向上螺接一转动斜面固定杆固定螺帽，当转动斜面固定杆伸缩长度固定后，采用转动斜面固定杆固定螺帽将转动斜面固定杆卡块卡接在转动斜面固定杆上。

作为优选：转动斜面上设置有调平水平泡，转动斜面支架后前纵梁始端与末端分别设置有转动斜面调平支撑腿，实验平面上设置有实验平面调平水平泡，实验平面下设置有实验平面调平支撑腿；实验平面调平支撑腿分别置于第一底座实验柜上的实验平面调平支撑腿后滑道和实验平面调平支撑腿前滑道上，转动斜面支架下设置有转动斜面调平支撑腿，转动斜面调平支撑腿分别置于第二底座实验柜上的转动斜面调平支撑腿后滑道和转动斜面调平支撑腿前滑道上；实验平面与转动斜面末了状态的始端衔接吻合，改变斜面倾角粗螺丝杆的末端在第二底座实验柜粗螺丝杆伸缩空档的空间内移动。

作为优选：实验平面调平支撑腿与转动斜面调平支撑腿结构相同，实验平面调平支撑腿由实验平面调平支脚底座、实验平面调平螺纹杆、实验平面调平支撑腿升降套筒、实验平面调平支撑腿上下升降杆和实验平面调平支撑腿与底座连接面组成，转动斜面调平支撑腿由转动斜面调平支脚底座、转动斜面调平螺纹杆、转动斜面调平支撑腿升降套筒、转动斜面调平支撑腿上下升降杆和转动斜面调平支撑腿与底座连接面组成。

本实用新型的有益效果是：

(1)将改变斜面倾角螺杆始端与转动斜面终端直接连接，转动斜面固定杆始端直接转动固定在转动斜面末端相应位置上，使之在转动斜面以上均没有突出部分，实验者操作和读取数据十分方便。

(2)将改变斜面倾角粗螺丝杆螺圈设置在下端，并与粗螺丝杆底端固定转动轴嵌套滑动转动连接，实现了尽管粗螺丝杆转动提升，而改变斜面倾角粗螺丝杆螺圈却在原位保持不变，提升斜面效果。

(3)将改变斜面倾角细螺丝杆螺圈设置在螺丝杆顶端，即随着转动斜面转动提升而提升，便于实验者最终合适高度微调操作，为实验者操作提供了便利。

(4)将测量转动斜面所用标尺系统(含主尺、游标尺)从原来的斜面始端位置下移至转动斜面固定支架端点上，使之在斜面以上没有突出部分，为实验者操作提供便利。

(5)采用转动斜面支撑腿与主尺空心环接，使之转动斜面、支撑腿与主尺盘底盘与主尺盘连为一体组成空心转动轴，围绕游标尺盘与转动斜面固定转动轴连为一体的共通转动轴转动，这样转动斜面所转过的角度，就是主尺围绕游标尺盘转过的角度，该角度可以通过对转动斜面初始位置与末了位置左右游标尺读数差来获得。

(6)实验仪最下方采用了底座实验柜设计结构，右底座实验柜中心设置成空心，便于提升斜面螺丝杆移动，同时提升了实验仪高度，方便了实验者操作。

(7)转动斜面通过支撑腿(其中一端与主尺盘空心环接)围绕固定转动轴转动，以及巧妙地将斜面转动固定杆分立于底座实验箱两侧，有利于在改变斜面倾角过程中斜面转动固定杆的移动；

附图说明

图1为实验仪全图正视图；

图2为实验仪底座实验柜俯视图；

图3为实验仪初始状态俯视图；

图4为实验仪转动斜面转动至某一倾角度状态正视图；

图5为改变斜面倾角粗螺丝杆螺圈与末端转动轴连接俯视图；

图6为改变斜面倾角螺杆、粗细螺圈与末端转动轴连接正视图；

图7为转动斜面末端转动轴与末端固定套环连接示意图；

图8为主尺盘与游标尺盘间嵌套固定方法示意图；

图9为转动斜面始端支撑腿与主尺盘底盘连接示意图；

图10为转动斜面支架后前纵梁、轴孔与中纵梁示意图；

图11为转动斜面支架后前纵梁、始端支撑腿固定转动轴与游标尺盘固定连接示意图；

图12为游标尺盘正视图；

图13为转动斜面固定杆示意图；

图14为转动斜面固定杆滑轴与转动斜面支架后前纵梁固定方法示意图；

图15为转动斜面固定杆、滑轴、支架后前纵梁与固定螺帽连接示意图；

图16为实验平台(或转动斜面)调平支撑腿正视图；

图17为制作的圆形实验块示意图；

图18为读数系统读数精度示意图；

图19为转动斜面从图1状态转至图4状态主尺转过的角度示意图；

图20为双游标纠正不同轴(偏心距)原理示意图；

图21为斜面上高精度测量动、静摩擦系数实例分析示意图；

图22为斜面上圆柱体滚动受力示意图。

附图标记说明：1、第一底座实验柜，1-1、实验平面调平支撑腿前滑道，1-2、实验平面调平支撑腿后滑道，2、第二底座实验柜，2-1、转动斜面调平支撑腿前滑道，2-2、转动斜面调平支撑腿后滑道，2-3、第二底座实验柜粗螺丝杆伸缩空档，3、实验平面，3-0、实验平面调平水平泡，3-1、实验平面调平支撑腿，3-10、实验平面调平支脚底座，3-11、实验平面调平螺纹杆，3-12、实验平面调平支撑腿升降套筒，3-13、实验平面调平支撑腿上下升降杆，3-14、实验平面调平支撑腿与底座连接面，4、转动斜面支架后前纵梁，4-1、转动斜面调平支撑腿，4-10、转动斜面调平支脚底座，4-11、转动斜面调平螺纹杆，4-12、转动斜面调平支撑腿升降套筒，4-13、转动斜面调平支撑腿上下升降杆，4-14、转动斜面调平支撑腿与底座连接面，4-15、转动斜面后前支撑腿固定转动轴轴孔，4-2、转动斜面支架中横梁，5、转动斜面，5-0、转动斜面调平水平泡，5-01、后支撑腿空心转动轴，5-02、前支撑腿空心转动轴，5-1、转动斜面始端支撑腿，5-2、转动斜面始端支撑腿固定转动轴，5-20转动斜面始端后支撑腿转动轴，5-21、转动斜面始端前支撑腿转动轴，5-22、转动斜面后支撑腿固定转动轴后螺卡圈，5-23、转动斜面前支撑腿固定转动轴前螺卡圈，5-3、转动斜面末端连接转动轴，5-4、转动斜面末端固定套环，5-41、转动斜面左右箍紧螺帽，5-43、转动斜面左右转动轴套筒，5-44、转动斜面左右锁紧螺丝阻挡凸，5-5、转动斜面末端固定套环固定螺圈，6、游标尺盘，6-1、左游标尺，6-2、右游标尺，6-3、游标尺盘螺卡圈，7、主尺盘，7-0、主尺盘底盘，7-1、主尺，8、转动斜面固定杆，8-1、转动斜面固定杆滑槽，8-2、转动斜面固定杆固定螺帽，8-3、转动斜面固定杆滑轴，8-31、滑轴股，8-32、滑轴固定螺纹，8-33、固定卡块螺帽固定螺纹，8-4、转动斜面固定杆卡块，8-5、转动斜面固定杆转动轴，9、改变斜面倾角粗螺丝杆，9-1、改变斜面倾角微动细螺丝杆，9-3、改变斜面倾角微动移动杆，9-4、改变斜面倾角螺杆顶端，10、改变斜面倾角粗螺丝杆螺圈，10-1、改变斜面倾角粗螺丝杆螺圈转动柄，10-10、改变斜面倾角粗螺丝杆螺圈套圈凹槽，11、改变斜面倾角粗螺丝杆底端固定转动轴，11-1、改变斜面倾角粗螺丝杆螺圈套圈，11-11、改变斜面倾角左右箍紧螺帽，11-12改变斜面倾角左右转动轴套筒，11-44、改变斜面倾角左右锁紧螺丝阻挡凸，12、改变斜面倾角细螺丝杆螺圈，12-1、改变斜面倾角细螺丝杆螺圈转动柄。

具体实施方式

下面结合实施例对本实用新型做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。

所述新型机械式微动斜面测量摩擦力系数实验仪包括第一底座实验柜1、第二底座实验柜2、实验平面3、转动斜面支架后前纵梁4、转动斜面5、游标尺盘6、主尺盘7、转动斜面固定杆8、改变斜面倾角粗螺丝杆9、改变斜面倾角粗螺丝杆螺圈10、改变斜面倾角粗螺丝杆底端固定转动轴11、改变斜面倾角细螺丝杆螺圈12。转动斜面5与实验平面3的尺寸均为500mm(L)×300mm(B)×5mm(H)；主尺盘7外经约为200mm，主尺盘7内径约为180mm，游标尺盘6直径约为179.98mm。

转动斜面5始端后前分别与转动斜面始端支撑腿5-1固连，转动斜面始端支撑腿5-1下端分别设置有后支撑腿空心转动轴5-01与前支撑腿空心转动轴5-02，前支撑腿空心转动轴5-02与主尺盘底盘7-0中心对应环固接，主尺盘底盘7-0与主尺盘7周边吻合固接成一体，转动斜面5、转动斜面始端支撑腿5-1、主尺盘底盘7-0与主尺盘7固连成一个整体，如图9所示。

转动斜面始端支撑腿固定转动轴5-2从后往前依次穿过后支撑腿空心转动轴5-01、转动斜面支架后前纵梁4的后纵梁上的转动斜面后前支撑腿固定转动轴轴孔4-15、转动斜面后支撑腿固定转动轴后螺卡圈5-22、转动斜面前支撑腿固定转动轴前螺卡圈5-23、转动斜面支架后前纵梁4的前纵梁上的转动斜面后前支撑腿固定转动轴轴孔4-15与前支撑腿空心转动轴5-02至合适位置，转动斜面后支撑腿固定转动轴后螺卡圈5-22将转动斜面支架后前纵梁4的后纵梁与转动斜面始端支撑腿固定转动轴5-2螺卡在一起，转动斜面前支撑腿固定转动轴前螺卡圈5-23将转动斜面支架后前纵梁4的前纵梁与转动斜面始端支撑腿固定转动轴5-2螺卡在一起，游标尺盘6从主尺盘底盘7-0外侧沿转动斜面始端支撑腿固定转动轴5-2方向套入轴并采用游标尺盘螺卡圈6-3螺卡接，游标尺盘6与主尺盘7内侧以及与主尺盘底盘7-0表面相吻合，游标尺盘6能够在主尺盘7内侧自由转动；在游标尺盘6边缘分别设置有左游标尺6-1与右游标尺6-2，左游标尺6-1与右游标尺6-2关于圆心对称(即相差180°)，在主尺盘7上设置有主尺7-1，游标尺盘6上的左游标尺6-1、右游标尺6-2的外缘与主尺7-1內缘吻合，主尺7-1与左右游标尺配合读数，主尺7-1度量范围为0°～360°,游标尺精度为0′～30′,游标尺的30格弧长(α_14.5°)与主尺7-1的29格弧长(β_15°-0.5°)相等，即把主尺7-1上的1格的度数30′(0.5°)分配到了游标尺上的30格中，游标尺上的每格为1′，即读数系统的精度为1′；如图8、9、10、11、12、18所示。

在转动斜面5末端设置有转动斜面末端连接转动轴5-3，转动斜面末端连接转动轴5-3套在转动斜面左右转动轴套筒5-43内，转动斜面末端连接转动轴5-3可在转动斜面左右转动轴套筒5-43内自由转动，在靠近转动斜面左右转动轴套筒5-43一端的转动斜面末端连接转动轴5-3上设置有转动斜面左右锁紧螺丝阻挡凸5-44，在转动斜面左右锁紧螺丝阻挡凸5-44内侧设置有转动斜面左右箍紧螺帽5-41，当转动斜面5倾角调节确定后，可以通过转动斜面左右箍紧螺帽5-41将转动斜面末端连接转动轴5-3固定至转动斜面左右转动轴套筒5-43上，与转动斜面末端连接转动轴5-3相连的转动斜面末端固定套环5-4套接于改变斜面倾角螺杆顶端9-4内侧并采用转动斜面末端固定套环固定螺圈5-5锁紧，改变斜面倾角螺杆顶端9-4下端的改变斜面倾角微动移动杆9-3与改变斜面倾角细螺丝杆螺圈12滑动转动连接，改变斜面倾角细螺丝杆螺圈转动柄12-1与改变斜面倾角细螺丝杆螺圈12为一整体，改变斜面倾角细螺丝杆螺圈12下端与改变斜面倾角粗螺丝杆9上端的改变斜面倾角微动细螺丝杆9-1螺接(在改变斜面倾角粗螺丝杆9上端的细螺丝区域)，改变斜面倾角粗螺丝杆9螺穿过改变斜面倾角粗螺丝杆螺圈10，下端延伸至第二底座实验柜2的第二底座实验柜粗螺丝杆伸缩空档2-3内，改变斜面倾角粗螺丝杆螺圈10的改变斜面倾角粗螺丝杆螺圈套圈凹槽10-10内套于改变斜面倾角粗螺丝杆底端固定转动轴11的改变斜面倾角粗螺丝杆螺圈套圈11-1内，改变斜面倾角粗螺丝杆螺圈转动柄10-1与改变斜面倾角粗螺丝杆螺圈10为一整体，改变斜面倾角粗螺丝杆螺圈10在改变斜面倾角粗螺丝杆螺圈套圈11-1内滑动转动，从而带动改变斜面倾角粗螺丝杆9向上转动提升，改变斜面倾角粗螺丝杆螺圈套圈11-1与改变斜面倾角粗螺丝杆底端固定转动轴11为一整体，改变斜面倾角粗螺丝杆底端固定转动轴11套在改变斜面倾角左右转动轴套筒11-12内，改变斜面倾角左右转动轴套筒11-12两端分别与转动斜面支架后前纵梁4末端的后前端对应固接，改变斜面倾角粗螺丝杆底端固定转动轴11在靠近改变斜面倾角左右转动轴套筒11-12内端分别设置有改变斜面倾角左右锁紧螺丝阻挡凸11-44，在改变斜面倾角粗螺丝杆底端固定转动轴11的改变斜面倾角左右锁紧螺丝阻挡凸11-44内侧设置有改变斜面倾角左右箍紧螺帽11-11，当转动斜面5倾角调节确定后，可以通过改变斜面倾角左右箍紧螺帽11-11将改变斜面倾角粗螺丝杆底端转动轴11固定至改变斜面倾角左右转动轴套筒11-12上；如图1、2、5、6、7所示。

转动斜面5、转动斜面始端支撑腿5-1与主尺盘7作为一个整体围绕转动斜面始端支撑腿固定转动轴5-2转至某一倾角后，需采用转动斜面固定杆8进行稳固，转动斜面固定杆8始端转动固定在转动斜面5末端的转动斜面固定杆转动轴8-5上，转动斜面固定杆8中的转动斜面固定杆滑槽8-1套于转动斜面支架后前纵梁4的转动斜面固定杆滑轴8-3上，在转动斜面固定杆8的转动斜面固定杆滑轴8-3外套一转动斜面固定杆卡块8-4，转动斜面固定杆卡块8-4将转动斜面固定杆8包围且其间可以自由滑动，在转动斜面固定杆卡块8-4外表面、转动斜面固定杆滑轴8-3延伸方向上螺接一转动斜面固定杆固定螺帽8-2，当转动斜面固定杆8伸缩长度固定后，可以采用转动斜面固定杆固定螺帽8-2将转动斜面固定杆卡块8-4卡接在转动斜面固定杆8上，使之成为一个稳固的整体；如图1、3、4、13、14、15所示。

在转动斜面5上设置有调平水平泡5-0，在转动斜面支架前后纵梁4始端与末端分别设置有四个转动斜面调平支撑腿4-1，在实验平面3上设置有实验平面调平水平泡3-0，在实验平面3下设置有四个实验平面调平支撑腿3-1，实验平面调平支撑腿3-1与转动斜面支架前后纵梁4下的四个转动斜面调平支撑腿4-1结构完全一样，实验平面调平支撑腿3-1由实验平面调平支脚底座3-10、实验平面调平螺纹杆3-11、实验平面调平支撑腿升降套筒3-12、实验平面调平支撑腿上下升降杆3-13、实验平面调平支撑腿与底座连接面3-14组成，转动斜面调平支撑腿4-1由转动斜面调平支脚底座4-10、转动斜面调平螺纹杆4-11、转动斜面调平支撑腿升降套筒4-12、转动斜面调平支撑腿上下升降杆4-13、转动斜面调平支撑腿与底座连接面4-14组成，如图1、3、16所示；实验时，四个实验平面调平支撑腿3-1分别放在第一底座实验柜1上的实验平面调平支撑腿后滑道1-2和实验平面调平支撑腿前滑道1-1上，四个转动斜面调平支撑腿4-1分别放在第二底座实验柜2上的转动斜面调平支撑腿后滑道2-2和转动斜面调平支撑腿前滑道2-1上，实验平面3与转动斜面5末了状态的始端严格衔接吻合，整个过程改变斜面倾角粗螺丝杆9的末端均在第二底座实验柜粗螺丝杆伸缩空档2-3的空间内移动变化，如图1、4、16所示。

一、采用双游标纠正偏心率原理

如图20所示，由于仪器刻度盘主尺7-1中心(几何中心)与旋转主轴不一定完全重合(即存在偏心差)，故转动斜面5在转动过程中，从单个微尺上读数总会存在误差(仪器误差)，为测量转动斜面5倾角，设计并对称安装两个游标尺，就可以纠正由于偏心差造成的仪器误差。设O为主尺7-1和主尺盘7几何中心，O₁为转动斜面低端固定转动轴中心，由于二者不一定重合，若采用左右游标尺，从左右游标尺读出转动斜面5转动前的初始读数分别为θ_左1、θ_右1，转动斜面5转至某一倾角左右微尺末读数分别为θ_左2、θ_右2，则转动斜面5转动的角度为：

证明：如图20所示，设主尺盘7的几何中心与转动斜面低端固定转动轴中心重合时圆心为O，不重合时，转动斜面低端固定转动轴中心为O₁，过O做两直径分别为AB和CD，过O₁做EF//AB和JH//CD，可以看出只要两中心重合，任意一游标尺读出的读数AC弧长或BD弧长均无误差，若两中心不重合，读数为EJ弧长或HF弧长，二弧长均不准确；由EA弧长＝FB弧长,JC弧长＝HD弧长，则：

AC弧长＝BD弧长＝(AJ+JC)弧长＝(DF+FB)弧长＝(AJ+HD)弧长＝(DF+EA)弧长

因此，(1)式成立。即仪器刻度盘主尺7-1几何中心与转动斜面低端固定转动轴不一定完全重合时，采用双游标尺读数，并采用(1)式计算，就可以准确测量转动斜面5围绕低端固定转动轴转过的角度。

二、新型机械式微动斜面测量摩擦力系数实验仪的调节方法

(1)首先调节底座四个转动斜面调平支撑腿4-1上的转动斜面调平支撑腿升降套筒4-12、改变斜面倾角粗螺丝杆螺圈10、改变斜面倾角细螺丝杆螺圈12，使转动斜面调平水平泡5-0处于圆圈中央，即转动斜面5处于水平状态，分别读取游标尺盘6上的A、B窗初读数α₁、β₁；如果要测量动摩擦系数，则还要调节实验平面3的水平，即通过调节实验平面3的四个实验平面调平支撑腿3-1的实验平面调平支撑腿升降套筒3-12，使实验平面调平水平泡3-0处于圆圈中央，即实验平面3处于水平状态。如图1、3所示；

(2)将待测动、静摩擦力系数的材料做成与实验仪的相吻合同尺寸板状，并将其安装至预先设计好的相应位置，制作直径50.00mm、厚度10.00mm的圆形滑块(其中心带有细孔)，并将该滑块放于转动斜面5的预设位置上；

(3)使转动斜面螺杆上的改变斜面倾角粗螺丝杆螺圈10在改变斜面倾角粗螺丝杆螺圈套圈11-1内持续转动，改变斜面倾角粗螺丝杆9会在改变斜面倾角粗螺丝杆螺圈10内持续向上移动，待放于转动斜面某材料圆形滑块滑动后，再将改变斜面倾角粗螺丝杆螺圈10退回少许，使之该材料滑块刚好静止为止，然后转动改变斜面倾角细螺丝杆螺圈12，使待测材料滑块刚好沿着转动斜面5略微移动，此时滑块重力沿着斜面的下滑力就等于该材料滑块质量相对于斜面的最大静摩擦力F_i，如图21所示；

(4)通过标尺系统读取转动斜面5转至某一角度的A、B窗读数分别为α₂、β₂，则转动斜面5转过的角度(即转动斜面5相对水平面倾角)为如图19所示；

(5)在具体实验时，还要采用转动斜面左右箍紧螺帽5-41把转动斜面末端连接转动轴5-3与转动斜面左右转动轴套筒5-43锁紧，采用改变斜面倾角左右箍紧螺帽11-11把改变斜面倾角粗螺丝杆底端固定转动轴11与改变斜面倾角左右转动轴套筒11-12锁紧，以及斜面转动固定杆8的斜面转动固定杆固定螺帽8-2拧紧，以满足测量装置的整体稳定性。同时，若还要测量动摩擦力系数，还需要让转动斜面5始端与实验平面3的始端高度吻合。

三、新型机械式微动斜面测量摩擦力系数实验仪的实例测量

(1)首先调节转动斜面支架后前纵梁4始末端的四个转动斜面调平支撑腿4-1上的转动斜面调平支撑腿升降套筒4-12、改变斜面倾角粗螺丝杆螺圈10和改变斜面倾角细丝螺杆螺圈12，转动斜面调平水平泡5-0处于圆圈中央，使转动斜面5处于水平状态，分别读取A、B窗初始读数为α₁＝194°22′、β₁＝15°30′，如图1、3(转动斜面5水平初始位置)所示；如果要测量动摩擦系数，还要调节实验平面3的水平，即通过调节实验平面3的四个实验平面调平支撑腿3-1的实验平面调平支撑腿升降套筒3-12，使实验平面调平水平泡3-0处于圆圈中央，使实验平面3处于水平状态；

(2)将待测动、静摩擦力系数的材料做成与实验仪的相吻合同尺寸板状，并将其安装至预先设计好的相应位置，制作直径50.00mm、厚度10.00mm圆形滑块(其中心带有细孔)，并将该滑块放于转动斜面5上的预设位置上；

(3)将转动斜面末端连接转动轴5-3的转动斜面左右箍紧螺帽5-41、改变斜面倾角粗螺丝杆底端固定转动轴11的改变斜面倾角左右箍紧螺帽11-11以及斜面转动固定杆8的斜面转动固定杆固定螺帽8-2放松，使转动螺杆上的改变斜面倾角粗螺丝杆螺圈10在改变斜面倾角粗螺丝杆螺圈套圈11-1内持续转动，改变斜面倾角粗螺丝杆9会在改变斜面倾角粗螺丝杆螺圈10内持续向上转动移动，待放于转动斜面5处的某材料圆形滑块滑动后，再将改变斜面倾角粗螺丝杆螺圈10退回少许，使该材料滑块刚好静止为止，然后转动改变斜面倾角细螺丝杆螺圈12，使待测材料滑块刚好沿着转动斜面5略微移动，此时滑块重力沿着斜面的下滑力就等于该材料质量滑块相对于斜面的最大静摩擦力F_i，如图21所示；

(4)通过标尺系统读取斜面转至某一倾角(即与水平面夹角)A、B窗的读数分别为α₂＝235°8′、β₂＝5°17′，则转动斜面转过的角度(即转动斜面与水平面间夹角)为如图19所示；

(5)在具体实验时，还要采用转动斜面左右箍紧螺帽5-41把转动斜面末端连接转动轴5-3与转动斜面左右转动轴套筒5-43锁紧，采用改变斜面倾角左右箍紧螺帽11-11把改变斜面倾角粗螺丝杆底端固定转动轴11与改变斜面倾角左右转动轴套筒11-12锁紧，以及斜面转动固定杆8的斜面转动固定杆固定螺帽8-2拧紧，以满足测量装置的整体稳定性。同时，若还要测量动摩擦力系数，还需要让转动斜面5始端与实验平面3的始端高度吻合。

(6)在具体测量动摩擦力系数实验时，斜面上的滑块可制作成圆形，并在其圆心打垂直于圆面细孔，采用滑块实验时，起始位置与运动末了位置方便标注记号，然后采用游标卡尺来测量滑块移动距离；

(7)测量相应材料的静摩擦力系数(μ_s)；

(8)测量相应材料的动摩擦力系数(μ_k)。

四、实际测量力学分析与公式推导

(1)静摩擦系数的测量

采用该设计装备，只要将相应材料做成与转动斜面5其实验平面相同尺寸并安装。滑块按合适尺寸制作，并将其放入待转动斜面5的相应位置。如果滑块与接触处两表面互为静止，两表面间接触地方会形成一个较强结合力——静摩擦力，除非破坏了该结合力才能使该表面相对另一表面发生运动，以实现破坏这结合力——运动前的力对其表面的垂直力之比值被称为静摩擦系数μ_s，若f_s为静摩擦力，F₂为垂直力，该破坏力也是使该物体启动的最大力，即最大静摩擦力，用公式表示为：

f_s＝μ_sF₂(2)

我们可以将处于转动斜面5上的滑块分解为沿平行于斜面上的分力F₁和垂直于斜面分力F₂，即

Fi＝mgsinα(3)

F_j＝mgsinα(4)

在转动斜面5转动的过程中，若滑块沿斜面刚好下滑，此时斜面的倾角α₀，此时的下滑力F₁(α₀)刚好与静摩擦力f_s相同，垂直于斜面上的力为F₂(α₀)由(2)式和(3)式得：

如图21所示。

(2)动摩擦系数的测量

转动斜面5转至某一角度α₁，由于α₁＞α₀，将滑块放于斜面某位置(l)，由于重力势能作用，滑块此该处开始下滑，到斜面底端再沿水平方向运动，整个运动过程中均受到滑动摩擦力作用，其方向与滑块运动方向相反，最终沿水平面滑至s处静止。设滑动摩擦系数μ_k，在距斜面底部位置l(采用游标卡尺测量)，起始位置滑块所具有的势能mglsinα₀，滑块在斜面滑动过程中阻力所做的功f_kl＝μ_kF_j0＝μ_kmgcosα₀，滑块从斜面底部运动至s(采用游标卡尺测量)处，阻力所做的功mgs。根据能量守恒定律得：

mglsinα₀＝μ_klmgcosα₀+mgμ_ks(6)

由此可得滑动摩擦系数为

μ_k＝l/(lcosα₀+s)sinα₀(7)

由此，通过如上测量也可以证明静摩擦系数大于动摩擦系数。即

μ_s＞μ_k(8)

如图21所示。

(3)斜面上圆柱刚体滚动应用

设圆柱形刚体质量为m，半径为r，绕圆柱体中心轴线的转动惯量为J。采用新型机械式微动斜面测量摩擦力系数实验仪进行实验，并依其步骤进行相应操作，当圆柱体在斜面上作纯滚动时，可以看作是质心的平动和绕质心的转动，其受力情况，如图22所示。

由质心运动定律和转动定律得

mgsinθ-f＝ma(9)

fr＝Jβ(10)

且a_c＝β_cr，式中a_c为质心的平动加速度，β_c为绕质心转动的角加速度，得到

设斜面的长度为l。则圆柱体从静止开始由顶部滚动到底部时质心的速度和滚动时间为

具有相同质量和半径，但转动惯量不同的圆柱体从同一斜面上作纯滚动时，其质心所获得的加速度、运动相同距离时的速度和所需的时间都是不同的，转动惯量J越大，质心的加速度和运动相同距离时的速度均越小，但运动相同距离所需要的时间则越长。

五、新型机械式微动斜面测量摩擦力系数实验仪的实例测量的精度分析

1、对静摩擦力系数的精度分析

对式(5)μ_s＝tanα₀进行微分得μ′_s＝(sec²α₀)α′₀。让μ′_s＝Δμ_s、α₀′＝Δα₀，则实验的结果对应的误差为

Δμ_s＝(sec²α₀)Δα₀(14)

其中：

2、对动摩擦力系数的精度分析

对式(7)μ_k＝l/(lcosα₀+s)·sinα₀进行微分得

让μ′_k＝Δμ_k，α₀′＝Δα₀。则实验结果对应的仪器误差为

其中：l、s均为常数。

3、对滚动摩擦力系数的精度分析

(1)对圆柱体质心速度的精度分析

对式(12)进行微分得让v′₀＝Δv₀、θ′＝Δθ则圆柱体质心速度误差为

(2)对圆柱体质心滚动时间的精度分析

对式(13)微分得让t′＝Δt，θ′＝Δθ，则圆柱体滚动时间误差为

其中：对于确定的圆柱体而言，其l、m、r、J、g均为常数。

新型机械式微动斜面测量摩擦力系数实验仪在测量静摩擦力系数、动摩擦力系数以及圆柱体质心速度与时间的过程中，均能够使得所测角度精度达到1′，并与其对应的所测参量精度达到(14)、(16)、(17)、(18)所达到的精度。

Claims (8)

1.一种新型机械式微动斜面测量摩擦力系数实验仪，其特征在于：包括第一底座实验柜(1)、第二底座实验柜(2)、实验平面(3)、转动斜面支架后前纵梁(4)、转动斜面(5)、游标尺盘(6)、主尺盘(7)、转动斜面固定杆(8)、改变斜面倾角粗螺丝杆(9)、改变斜面倾角粗螺丝杆螺圈(10)、改变斜面倾角粗螺丝杆底端固定转动轴(11)和改变斜面倾角细螺丝杆螺圈(12)；

在转动斜面(5)末端设置有转动斜面末端连接转动轴(5-3)并套在转动斜面左右转动轴套筒(5-43)内，在靠近转动斜面左右转动轴套筒(5-43)一端的转动斜面末端连接转动轴(5-3)上设置有转动斜面左右锁紧螺丝阻挡凸(5-44)，在转动斜面左右锁紧螺丝阻挡凸(5-44)内侧设置有转动斜面左右箍紧螺帽(5-41)，当转动斜面(5)倾角调节确定后，通过转动斜面左右箍紧螺帽(5-41)将转动斜面末端连接转动轴(5-3)固定至转动斜面左右转动轴套筒(5-43)上；

与转动斜面末端连接转动轴(5-3)相连的转动斜面末端固定套环(5-4)套接于改变斜面倾角螺杆顶端(9-4)内侧并采用转动斜面末端固定套环固定螺圈(5-5)锁紧，改变斜面倾角螺杆顶端(9-4)下端的改变斜面倾角微动移动杆(9-3)与改变斜面倾角细螺丝杆螺圈(12)滑动转动连接，改变斜面倾角细螺丝杆螺圈转动柄(12-1)与改变斜面倾角细螺丝杆螺圈(12)为一整体，改变斜面倾角细螺丝杆螺圈(12)下端与改变斜面倾角粗螺丝杆(9)上端的改变斜面倾角微动细螺丝杆(9-1)螺接；改变斜面倾角粗螺丝杆(9)螺穿过改变斜面倾角粗螺丝杆螺圈(10)，下端延伸至第二底座实验柜(2)的第二底座实验柜粗螺丝杆伸缩空档(2-3)内，改变斜面倾角粗螺丝杆螺圈(10)的改变斜面倾角粗螺丝杆螺圈套圈凹槽(10-10)内套于改变斜面倾角粗螺丝杆底端固定转动轴(11)的改变斜面倾角粗螺丝杆螺圈套圈(11-1)内，改变斜面倾角粗螺丝杆螺圈转动柄(10-1)与改变斜面倾角粗螺丝杆螺圈(10)为一整体，改变斜面倾角粗螺丝杆螺圈(10)在改变斜面倾角粗螺丝杆螺圈套圈(11-1)内滑动转动，改变斜面倾角粗螺丝杆螺圈套圈(11-1)与改变斜面倾角粗螺丝杆底端固定转动轴(11)为一整体；

改变斜面倾角粗螺丝杆底端固定转动轴(11)套在改变斜面倾角左右转动轴套筒(11-12)内，改变斜面倾角左右转动轴套筒(11-12)两端分别与转动斜面支架后前纵梁(4)末端的后前端对应固接，改变斜面倾角粗螺丝杆底端固定转动轴(11)在靠近改变斜面倾角左右转动轴套筒(11-12)内端分别设置有改变斜面倾角左右锁紧螺丝阻挡凸(11-44)，改变斜面倾角左右锁紧螺丝阻挡凸(11-44)内侧设置有改变斜面倾角左右箍紧螺帽(11-11)，当转动斜面(5)倾角调节确定后，通过改变斜面倾角左右箍紧螺帽(11-11)将改变斜面倾角粗螺丝杆底端转动轴(11)固定至改变斜面倾角左右转动轴套筒(11-12)上。

2.根据权利要求1所述的新型机械式微动斜面测量摩擦力系数实验仪，其特征在于：转动斜面(5)始端后前分别与转动斜面始端支撑腿(5-1)固连，转动斜面始端支撑腿(5-1)下端分别设置有后支撑腿空心转动轴(5-01)与前支撑腿空心转动轴(5-02)，前支撑腿空心转动轴(5-02)与主尺盘底盘(7-0)中心对应环固接，主尺盘底盘(7-0)与主尺盘(7)周边吻合固接成一体。

3.根据权利要求1所述的新型机械式微动斜面测量摩擦力系数实验仪，其特征在于：转动斜面始端支撑腿固定转动轴(5-2)从后往前依次穿过后支撑腿空心转动轴(5-01)、转动斜面支架后前纵梁(4)的后纵梁上的转动斜面后前支撑腿固定转动轴轴孔(4-15)、转动斜面后支撑腿固定转动轴后螺卡圈(5-22)、转动斜面前支撑腿固定转动轴前螺卡圈(5-23)、转动斜面支架后前纵梁(4)的前纵梁上的转动斜面后前支撑腿固定转动轴轴孔(4-15)与前支撑腿空心转动轴(5-02)至合适位置，转动斜面后支撑腿固定转动轴后螺卡圈(5-22)将转动斜面支架后前纵梁(4)的后纵梁与转动斜面始端支撑腿固定转动轴(5-2)螺卡在一起，转动斜面前支撑腿固定转动轴前螺卡圈(5-23)将转动斜面支架后前纵梁(4)的前纵梁与转动斜面始端支撑腿固定转动轴(5-2)螺卡在一起；游标尺盘(6)从主尺盘底盘(7-0)外侧沿转动斜面始端支撑腿固定转动轴(5-2)方向套入轴并采用游标尺盘螺卡圈(6-3)螺卡接，游标尺盘(6)与主尺盘(7)内侧以及与主尺盘底盘(7-0)表面相吻合；游标尺盘(6)边缘分别设置有左游标尺(6-1)与右游标尺(6-2)，左游标尺(6-1)与右游标尺(6-2)关于圆心对称，主尺盘(7)上设置有主尺(7-1)。

4.根据权利要求3所述的新型机械式微动斜面测量摩擦力系数实验仪，其特征在于：左游标尺(6-1)、右游标尺(6-2)的外缘与主尺(7-1)內缘吻合，主尺(7-1)度量范围为0°～360°,游标尺精度为0′～30′。

5.根据权利要求1所述的新型机械式微动斜面测量摩擦力系数实验仪，其特征在于：转动斜面(5)、转动斜面始端支撑腿(5-1)与主尺盘(7)作为一个整体围绕转动斜面始端支撑腿固定转动轴(5-2)转至某一倾角后用转动斜面固定杆(8)进行稳固，转动斜面固定杆(8)始端转动固定在转动斜面(5)末端的转动斜面固定杆转动轴(8-5)上，转动斜面固定杆(8)中的转动斜面固定杆滑槽(8-1)套于转动斜面支架后前纵梁(4)的转动斜面固定杆滑轴(8-3)上，在转动斜面固定杆滑轴(8-3)外套一转动斜面固定杆卡块(8-4)。

6.根据权利要求5所述的新型机械式微动斜面测量摩擦力系数实验仪，其特征在于：在转动斜面固定杆卡块(8-4)外表面、转动斜面固定杆滑轴(8-3)延伸方向上螺接一转动斜面固定杆固定螺帽(8-2)，当转动斜面固定杆(8)伸缩长度固定后，采用转动斜面固定杆固定螺帽(8-2)将转动斜面固定杆卡块(8-4)卡接在转动斜面固定杆(8)上。

7.根据权利要求1所述的新型机械式微动斜面测量摩擦力系数实验仪，其特征在于：转动斜面(5)上设置有调平水平泡(5-0)，转动斜面支架后前纵梁(4)始端与末端分别设置有转动斜面调平支撑腿(4-1)，实验平面(3)上设置有实验平面调平水平泡(3-0)，实验平面(3)下设置有实验平面调平支撑腿(3-1)；实验平面调平支撑腿(3-1)分别置于第一底座实验柜(1)上的实验平面调平支撑腿后滑道(1-2)和实验平面调平支撑腿前滑道(1-1)上，转动斜面(5)支架下设置有转动斜面调平支撑腿(4-1)，转动斜面调平支撑腿(4-1)分别置于第二底座实验柜(2)上的转动斜面调平支撑腿后滑道(2-2)和转动斜面调平支撑腿前滑道(2-1)上；实验平面(3)与转动斜面(5)末了状态的始端衔接吻合，改变斜面倾角粗螺丝杆(9)的末端在第二底座实验柜粗螺丝杆伸缩空档(2-3)的空间内移动。

8.根据权利要求7所述的新型机械式微动斜面测量摩擦力系数实验仪，其特征在于：实验平面调平支撑腿(3-1)与转动斜面调平支撑腿(4-1)结构相同，实验平面调平支撑腿(3-1)由实验平面调平支脚底座(3-10)、实验平面调平螺纹杆(3-11)、实验平面调平支撑腿升降套筒(3-12)、实验平面调平支撑腿上下升降杆(3-13)和实验平面调平支撑腿与底座连接面(3-14)组成，转动斜面调平支撑腿(4-1)由转动斜面调平支脚底座(4-10)、转动斜面调平螺纹杆(4-11)、转动斜面调平支撑腿升降套筒(4-12)、转动斜面调平支撑腿上下升降杆(4-13)和转动斜面调平支撑腿与底座连接面(4-14)组成。