一种多边形涡流演示装置

技术领域

本发明属于演示物理仪器制作领域，具体涉及一种多边形涡流演示装置，其利用了不对称微扰产生对称性破缺，从而产生多边形涡流现象。

背景技术

液体涡流指的是液体受外界旋转驱动时，产生的水漩。在一定条件下，液体表面的形状会变成类多边形。这主要是由于液体在受到方位波数和频率的不对称微扰时，重力波与离心波函数产生了多个解(2或3个)，部分解之间会形成共振，该种共振导致了对称性破缺，导致液面呈现出从圆形轴对称到严重变形的类多边形过程，并形成多边形涡流。

中国专利CN201820936106.6公开一种涡流演示装置，其包括台体及设在所述台体上的有机玻璃防护罩，在所述的台体上及有机玻璃防护罩内设有导杆，在所述导杆的下端设有线圈组，在所述线圈组上方依次设有绝缘环和金属环，所述绝缘环和金属环套在所述导杆上，在所述导杆的上端设有一个铜锣，所述线圈组与电源、开关串联，所述开关设在台体上。但其为电磁涡流演示装置，其通过对线圈组进行通电并产生磁场，由于电磁感应，则会在金属环内部形成涡流，根据楞次定律，金属环则会向上快速运动，敲响导杆顶部的铜锣来向观众演示涡流现象，但其不是液体涡流演示装置。

中国专利CN202020766953.X公开了一种新型涡流演示仪，其包括水箱、台面支撑脚座、工作台，其中，所述水箱设置为封闭结构，所述水箱通过台面支撑脚座平稳安装在所述工作台的台面上，所述水箱的左侧上、下端分别安装有注水管和排水管，且所述注水管和排水管的左端均设有控制阀，以便于控制水箱内水体的注入和排出。本实用新型中水流控制组件可以控制水箱内水体的流动方向，通过主动辊通过皮带带动传动辊转动，从而使得皮带在步进过程中，为水体提供流动的作用力，随着电机驱动的速度的增加，水体形成的涡流也在变化，从而实现对水体涡流的演示。其演示了单边涡流，针对多边涡流无能为力。

在实际教学中，如果演示多边涡流一直是一个教学难题。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本申请人提供一种多边形涡流演示装置，在圆桶内装入一定量的水，启动电动机，通过电机调速器控制电机转速，可以在一定条件下在圆桶中观察到椭圆形、三角形、四边形等多边形涡流现象。

依据本发明的技术方案，提供一种多边形涡流演示装置，其包括1个底座支架、1个圆桶、1个圆盘、1个防水转轴、1个电动机、1个电机调速器和1个联轴器，底座支架用于固定电动机、圆桶和电机调速器；圆盘和防水转轴固定到圆桶里；圆桶固定到底座支架上部，电动机固定到底座支架下部，通过联轴器连接；电机调速器固定到底座支架上且与电动机相连。

其中，底座支架由铝制支架和铝板构成，所述底座支架包含14根铝型材组成的方形支架和一块铝板。所述圆桶为亚克力材质容器，无上盖板、有底板；底板为边长与圆桶直径相当的方形亚克力板，底板中间钻设有圆孔，四角钻设有圆孔；圆桶固定到支架铝板中间。圆盘为亚克力材质，圆盘中间有孔。

进一步地，防水转轴为不锈钢材质。电机为单相调速电机，速度连续可调；电机固定到支架底部中间，电机转轴与防水转轴对齐。电机调速器为变压式电机调速器，通过旋钮能够连续调节电机转速。

更进一步地，联轴器为航空铝合金材质，无回转空隙；联轴器两端孔径分别与电机转轴和防水转轴尺寸相同。电机和防水转轴相连，从而使电机带动防水转轴转动

相比较于现有技术，利用本发明的多边形涡流演示装置，通过调节电动机速度，即可演示不同边数涡流，增加了演示的互动性与可玩性、趣味性与可操作性，可以在学校教室环境或者展览馆、科技馆等大型场所进行展示。此外，本发明操作简单、装置结构简单，可增加演示仪器的互动性与便携性，能够很好的展示多边形涡流原理及其应用，对于全域科普的开展具有较好的推动作用，有助于对涡流现象的理解和演示。

附图说明

图1为依据本发明的多边形涡流演示装置的立体结构示意图；

图2为本发明的多边形涡流演示装置正视图；

图3为利用本发明多边形涡流演示装置观测到的椭圆形状涡流。

图4为利用本发明多边形涡流演示装置观测到的三角形状涡流。

图5为利用本发明多边形涡流演示装置观测到的四边形状涡流。

图6为利用本发明多边形涡流演示装置观测到的五边形状涡流。

图7为利用本发明多边形涡流演示装置观测到的六边形状涡流。

附图中的附图标记为：铝制支架1，铝板2，亚克力圆桶3，短螺丝4，亚克力圆盘5，防水转轴6，电机调速器7，联轴器8，长螺丝9，电动机10，电源线11。

具体实施方式

下面将结合本发明仪器中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。另外地，不应当将本发明的保护范围仅仅限制至下述具体结构或部件或具体参数。

涡流现象是流体力学中非常重要的一个概念，但在实际教学中一直无法实物演示该物理现象，因此研发一款装置简单、现象直观、稳定性好、功能丰富的教学仪器有利于让学生们更好的理解涡流现象。另外，随着全域科普工作的推进，要求科普演示仪器具有非常高的便携性，方便携带、演示内容丰富的科普仪器，其对于开展户外科普活动，支教活动等具有非常大的帮助。

本发明的多边形涡流演示装置包括1个底座支架(由铝制支架1和铝板2构成)、1个圆桶3、1个圆盘5、1个防水转轴6、1个电动机10、1个电机调速器7和1个联轴器8，底座支架用于固定电动机、圆桶和电机调速器；圆盘和防水转轴固定到圆桶里；圆桶固定到底座支架上部，电动机固定到底座支架下部，通过联轴器连接；电机调速器固定到底座支架上且与电动机相连。圆桶优选亚克力圆桶。

底座支架由铝制支架1和铝板2构成，所述底座支架包含14根由铝型材组成的方形支架和一块铝板。所述圆桶为亚克力材质容器，无上盖，有底，底为边长与圆桶直径相当的方形亚克力板，板中间钻有圆孔，四角钻有圆孔。圆桶固定到支架铝板中间。圆盘为亚克力材质，中间有孔。防水转轴为不锈钢材质，其转轴具有防水功能。

进一步地，电机为单相调速电机，速度连续可调。电机固定到支架底部中间，其转轴与防水转轴对齐。调速器为变压式电机调速器。通过旋钮可以连续调节电机转速。联轴器为航空铝合金材质，无回转空隙。两端孔径分别与电机转轴和防水转轴尺寸相同。可以将电机和防水转轴相连，从而使电机带动防水转轴转动。

详细地，如图1和图2所示，多边形涡流演示装置的底座支架用于支撑圆桶、固定电动机和电机调速器，圆盘通过防水转轴安装于圆桶底部并于电动机相接，电机调速器的一端连接电动机，另一端与电源相连，用于控制电动机转速，桶内放入适量水，通过电机调速器控制电动机带动圆盘转动，水亦被带动旋转形成涡流。底座支架包括一长方形铝板和14根由型材组成的铝制支架，铝板和铝制支架通过螺丝连接到一起，组装成支架，铝板水平固定在支架上面。14根铝制支架。其中，长36cm的铝制支架6根、长46cm的铝制支架2根、长50cm的铝制支架2根、长80cm的铝制支架4根，侧面和上下底部钻有M6内螺纹，利用M6螺丝和侧面的内螺纹将其相互之间固定。长80cm的凹型铝管作为4根支柱，其余分别为侧面支撑，最后在结构顶部用于铝板的安装和电动机的固定。

进一步地，在铝板中心有直径6cm的圆孔，用于转轴和电动机的连接。在铝板右下角有一长方形孔，用于安装电机调速器。圆桶为有机玻璃材质由侧面圆管和底面正方形组成，正边形四角留有6mm圆孔，用M6螺丝固定于铝板上。圆桶底部中心留有圆孔，用于安装转轴。圆盘为亚克力材质,通过螺丝固定到防水转轴上。防水转轴利用螺丝固定到圆桶底部。通过电机调速器可实现转速控制。通过M6螺丝固定到底座支架的铝制支架上。通过联轴器将电动机转轴和防水转轴连接到一起。

进一步地，如图1所示，在本发明多边形涡流演示装置中，底座支架包含14根铝制支架1和1块铝板2。其中，长36cm的铝制支架6根、长46cm的铝制支架2根、长50cm的铝制支架2根、长80cm的铝制支架4根，每根铝制支架的侧面和上下底部钻有M6内螺纹，利用M6螺丝和侧面的内螺纹将其相互之间固定。长80cm的凹型铝管作为4根支柱，其余分别为侧面支撑，最后在结构顶部用于铝板的安装和电动机的固定。铝板厚度4mm、长50cm、宽40cm，铝板正中心有直径6cm的圆孔，在铝板右下角有一85mm×55mm长方形孔，利用螺丝将铝板固定到铝制支架支架顶部。

进一步地，圆桶3为有机玻璃材质，由一直径30cm、壁厚5mm的圆管和一边长30cm、壁厚5mm亚克力板组成。亚克力板中间钻有直径30mm的孔洞，四角钻有直径6mm的孔洞。利用亚克力胶将圆管和亚克力板起来，并密封好。圆盘5为亚克力材质,直径26cm、厚度5mm，通过短螺丝4固定到防水转轴上部。防水转轴利用螺丝固定到亚克力板中间圆孔上。其底部转轴突出。圆盘安装后距离圆桶底部36mm。将组装好的圆桶利用M6螺丝固定到铝板中间。电动机10为单相调速电动机，额定电压220V，额定功率120W。通过M6螺丝固定到底座支架的铝制支架上。电动机转轴通过联轴器9与防水转轴6底部相连。

进一步地，电机调速器7为电动机速度控制器，调节速度范围：0-110r/min。利用电线11将电动机和电机调速器连接，并接到电源中。在桶内加入带有颜色的水，启动电动机即可观察多边形涡流现象。

实施例1

在圆桶中注入带颜色的水，水面至圆桶底部高度为56mm，本实施例使用的蓝黑色稀释墨水。启动电动机，开始缓慢增加电动机转速，观察圆桶底部水旋涡形状。

1、调节电动机转速为30-53r/min时，可以观察到圆桶底部出现椭圆形状涡流。得到如图3所示的转速35时的实验现象图。

2、调节电动机转速为54-86r/min时，可以观察到圆桶底部出现三角形形状涡流。得到如图4所示的转速58r/min时的实验现象图。

3、调节电动机转速为87-100r/min时，可以观察到圆桶底部出现四边形形状涡流。得到如图5所示的转速93r/min时的实验现象图。

4、调节电动机转速为101-103r/min时，可以观察到圆桶底部出现五边形形状涡流。得到如图6所示的转速101r/min时的实验现象图。

5、调节电动机转速为104-110r/min时，可以观察到圆桶底部出现六边形形状涡流。得到如图7所示的转速105r/min时的实验现象图。

通过上述实施例，可以获知本发明的多边形涡流演示装置，在圆桶内装入一定量的水，启动电动机，通过电机调速器控制电机转速，可以在一定条件下在圆桶中观察到椭圆形、三角形、四边形等多边形涡流现象。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此。更换圆桶直径、圆盘直径、水高都会改变实验结果。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。本领域普通的技术人员可以理解，在不背离所附权利要求定义的本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和细节中做出各种各样的修改。