1、摩擦綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置的研制摘 要：在提高學(xué)生理論知識(shí)水平的同時(shí)，為了培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作和解決實(shí)際問題的能力，更好地將第二課堂與第一課堂 有機(jī)結(jié)合起來，研發(fā)了摩擦綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置。學(xué)生在完成基本單元的靜、動(dòng)摩擦系數(shù)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，可以進(jìn)一步完成其 他單元的翻轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)以及純滾動(dòng)或者又滾又滑的演示實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)裝置在滿足基礎(chǔ)力學(xué)大綱實(shí)驗(yàn)要求的同時(shí)，也能開展綜合 性實(shí)驗(yàn)，滿足工程教育專業(yè)認(rèn)證強(qiáng)調(diào)復(fù)雜工程問題能力培養(yǎng)的要求，從而滿足了新工科建設(shè)對(duì)人才培養(yǎng)質(zhì)量的更高要求。 關(guān)鍵詞：摩擦裝置；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；人才培養(yǎng)；儀器開發(fā)摩擦是日常生活和工程問題中普遍存在的一種自 然現(xiàn)象，同時(shí)它又是一個(gè)比較復(fù)雜的問題，所涉及的 相關(guān)

2、因素也較多（如物體的材質(zhì)、表面粗糙度、相對(duì) 運(yùn)動(dòng)速度、接觸面積以及環(huán)境的溫度）。因此，在理 論力學(xué)的課程學(xué)習(xí)中，摩擦是比較抽象且難于理解的 內(nèi)容。摩擦同一切事物一樣，也具有雙重性：它既可 以表現(xiàn)出有利的一面，又可以表現(xiàn)出有害的一面。例 如，重力壩依靠摩擦力防止壩體的滑動(dòng)；在軟土地基 上興建廠房時(shí)，應(yīng)使用摩擦樁，依靠樁身表面與土體 間的摩擦力來支撐基礎(chǔ)上部的荷載；其他如機(jī)床上用 的夾具、摩擦輪的傳動(dòng)、車輛的行駛、人的行走等， 無不是依靠摩擦來實(shí)現(xiàn)的。但是，正是由于摩擦，導(dǎo) 致運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)器發(fā)熱，消耗能量，降低效率，磨損部 件，影響機(jī)器的正常使用。從上述內(nèi)容可以看出，摩 擦與人們的日常生活是密切相關(guān)的

3、，為了加強(qiáng)人們對(duì) 摩擦本質(zhì)的認(rèn)識(shí)，通過實(shí)驗(yàn)研究摩擦也就顯得尤為重 要。為了使摩擦實(shí)驗(yàn)教學(xué)更容易讓學(xué)生理解、培養(yǎng)學(xué) 生實(shí)驗(yàn)操作及解決實(shí)際問題的能力、更好地將第二課 堂與第一課堂有機(jī)結(jié)合起來，筆者研發(fā)了如圖1所示 的摩擦綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置。學(xué)生在完成基本單元的 靜、動(dòng)摩擦系數(shù)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，可以進(jìn)一步完成其他 單元的翻轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)以及純滾動(dòng)或者又滾又滑的演示實(shí) 驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)裝置在滿足基礎(chǔ)力學(xué)教學(xué)大綱實(shí)驗(yàn)要求的 同時(shí)，也能開展綜合性實(shí)驗(yàn)，滿足工程教育專業(yè)認(rèn)證 強(qiáng)調(diào)復(fù)雜工程問題能力培養(yǎng)的要求，從而滿足新工科 建設(shè)對(duì)人才培養(yǎng)質(zhì)量的更高要求，對(duì)學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能 力的培養(yǎng)具有十分重要的作用。圖1摩擦綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置1實(shí)驗(yàn)

4、裝置該裝置可以測(cè)定靜、動(dòng)摩擦系數(shù)及物體的加速 度，并可以在不同情況下進(jìn)行物體滑動(dòng)、翻倒、滾動(dòng) 的實(shí)驗(yàn)。為了達(dá)到以上目的，該裝置設(shè)計(jì)了滑板轉(zhuǎn)動(dòng) 的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。由轉(zhuǎn)動(dòng)軸帶動(dòng)滑板轉(zhuǎn)動(dòng)來改變滑板的傾 角，通過改變限位器的位置，傾角范圍可在090 之間任意設(shè)定?；鍍A角調(diào)整由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)完成，電 動(dòng)機(jī)有多個(gè)轉(zhuǎn)速擋位，可以實(shí)現(xiàn)快速調(diào)整及微調(diào)。在 滑板傾角測(cè)量方面，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸與角度傳感器的連 接，并通過液晶顯示器及采集顯示模塊達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān) 測(cè)的目的，滑板每一時(shí)刻的角度變化都能在液晶顯示 器上顯示。在滑塊測(cè)速方面，設(shè)計(jì)光電傳感器測(cè)量滑 塊初速度、末速度、加速度及時(shí)間，并通過液晶顯示 器及采集顯示模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，滑

5、塊初速度、末速 度、加速度及時(shí)間在液晶顯示器上顯示；滑槽配有刻 度尺，以便與實(shí)驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù)進(jìn)行相互驗(yàn)證。該裝置的 具體結(jié)構(gòu)及各序號(hào)名稱如圖2、圖3及表1所示。1機(jī)架2滑道板連接座3錐齒輪14錐齒輪25減速電機(jī)6傳感器滑槽7刻度尺8輸出軸9角度傳感器 支架10顯示屏11電機(jī)控制器12電機(jī)控制開關(guān)13電機(jī)調(diào)速旋鈕14滑道升降開關(guān)15電源開關(guān)16傳感器支架17光電傳感器18滑塊19翻倒塊20滑輪21滑道板22滑輪板調(diào)節(jié) 旋鈕23滑輪板為了提高實(shí)驗(yàn)精度，本實(shí)驗(yàn)裝置主要從以下兩 個(gè)方面進(jìn)行了優(yōu)化：一是直接通過電機(jī)及電機(jī)控制器 對(duì)滑板傾角進(jìn)行快速調(diào)節(jié)及精確微調(diào)；二是實(shí)現(xiàn)初速 度、末速度及加速度的準(zhǔn)確測(cè)量，且

6、初速度、末速度 位置可任意調(diào)整。為了達(dá)到這兩種效果，分別采用如 下的設(shè)計(jì)方案：1.1滑板傾角的快速調(diào)節(jié)與精確微調(diào)滑板傾角調(diào)整由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)實(shí)現(xiàn)，通過電機(jī)控制器 的多個(gè)轉(zhuǎn)速擋位，實(shí)現(xiàn)快速調(diào)整及微調(diào)。具體如下。傳動(dòng)部分見圖2。它主要由減速電機(jī)(5)、錐齒輪 1(3)、錐齒輪2(4)、滑道板連接座(2)、機(jī)架(1)、輸出 軸(8)、角度傳感器支架(9)、顯示屏(10)、電機(jī)控制器 (11)、滑道升降開關(guān)(14)、電源開關(guān)(15)、滑道板(21) 部件組成。調(diào)節(jié)方式如下：第一，當(dāng)需要快速調(diào)整時(shí)，將滑道升降開關(guān)調(diào)至 上升或下降，電機(jī)控制開關(guān)(12)打開，電機(jī)控制器上 的電機(jī)調(diào)速旋鈕順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，減速電機(jī)快速

7、轉(zhuǎn)動(dòng)，錐 齒輪1轉(zhuǎn)動(dòng)，錐齒輪2轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)滑 道板通過滑道板連接座與輸出軸固定，輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)帶 動(dòng)滑道板轉(zhuǎn)動(dòng)。第二，當(dāng)接近設(shè)定角度并需要微調(diào)時(shí)，將電機(jī)控 制器上的電機(jī)調(diào)速旋鈕逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，傳動(dòng)方式同上， 減速電機(jī)以極慢的速度帶動(dòng)滑道板轉(zhuǎn)動(dòng)，到設(shè)定角度 時(shí)將電機(jī)控制開關(guān)關(guān)閉。1.2初速度末速度及加速度的準(zhǔn)確測(cè)量在滑道板上設(shè)置兩個(gè)光電傳感器支架(16),光電 傳感器支架可沿傳感器滑槽(6)移動(dòng)并緊固，方便測(cè)量 任意兩點(diǎn)的初速度和末速度，并計(jì)算加速度。測(cè)時(shí)測(cè)速模塊有兩路紅外發(fā)射信號(hào)輸入(電脈沖信 號(hào)輸入)，為光電傳感器(17)發(fā)射，當(dāng)滑塊(18)經(jīng)過光 電傳感器時(shí)，紅外發(fā)射被物塊遮擋，紅外

8、模塊會(huì)返回 一組高電平信號(hào)，利用stm32f103單片機(jī)的計(jì)時(shí)器中斷 進(jìn)行時(shí)間測(cè)量，可以測(cè)得物塊滑行時(shí)遮擋住紅外信號(hào) 的時(shí)間(范圍可在50卜99 s之間)。利用兩組紅外模 塊，便可以測(cè)得滑塊滑行的開始與結(jié)束的兩組時(shí)間。 同時(shí)，當(dāng)滑塊滑過第一個(gè)紅外模塊時(shí)，開啟另一組定 時(shí)器中斷函數(shù)，并在滑塊滑過第二組紅外模塊時(shí)結(jié)束 該中斷，通過計(jì)算得到滑塊總的滑行時(shí)間。該測(cè)時(shí)器 還具有數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和運(yùn)算功能，可直接測(cè)出滑塊的平 均速度和平均加速度。2實(shí)驗(yàn)原理2.1滑道傾角調(diào)整機(jī)構(gòu)該部分是實(shí)驗(yàn)裝置的基礎(chǔ)，由機(jī)架、滑道(滑道材 質(zhì)可變)、減速電機(jī)、變速控制器、液晶顯示器及顯示 控制模塊、電源、錐齒輪變速轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)等組成

9、。2.1.1滑道傾角調(diào)整的傳動(dòng)方式電機(jī)輸出動(dòng)力，通過錐齒輪傳動(dòng)，用來傳遞兩交 錯(cuò)軸之間的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。該傳動(dòng)平穩(wěn)，運(yùn)動(dòng)精度高， 噪音和振動(dòng)較小，并能實(shí)現(xiàn)090 (通過調(diào)整限位器 來實(shí)現(xiàn))設(shè)定工作范圍內(nèi)的任意角度調(diào)整。2.1.2滑道傾角的上升與下降滑道傾角的上升與下降通過電機(jī)正反轉(zhuǎn)旋鈕控 制實(shí)現(xiàn)。當(dāng)需要上升時(shí)，可將電機(jī)正反轉(zhuǎn)旋鈕調(diào)至上 升，并通過電機(jī)控制器調(diào)整上升速度；當(dāng)需要下降 時(shí)，可將電機(jī)正反轉(zhuǎn)旋鈕調(diào)至下降，并通過電機(jī)控制 器調(diào)整下降速度。操作步驟如下：第一，將電線插頭插入交流220 V, 50 HZ電源插 座，按下實(shí)驗(yàn)裝置操作面板上的總電源開關(guān)。第二， 需要上升時(shí)，可將旋鈕開關(guān)調(diào)至“上升”位

10、置；需要 下降時(shí)，可將旋鈕開關(guān)調(diào)至“下降”位。第三，按下 電機(jī)控制器電源開關(guān)按鈕，通過電機(jī)擋位調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié) 上升、下降速度。2.1.3滑道傾角快速調(diào)整與微調(diào)的控制方式 操作步驟：第一，當(dāng)需要快速調(diào)整時(shí)，將電機(jī)控 制器擋位旋鈕順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，并注意液晶顯示器上的角 度變化，同時(shí)觀察滑道上升速率。第二，當(dāng)接近設(shè)定 角度并需要微調(diào)時(shí)，將電機(jī)控制器擋位旋鈕逆時(shí)針旋 轉(zhuǎn)，并注意液晶顯示器上的角度變化，同時(shí)觀察滑道 上升速率。第三，當(dāng)調(diào)整至所需傾角時(shí)，應(yīng)關(guān)閉電機(jī) 控制器電源開關(guān)，為下一步操作做準(zhǔn)備。2.2角度顯示機(jī)構(gòu)通過角度傳感器測(cè)量角度變化，通過液晶顯示 器及顯示控制模塊采集，即時(shí)顯示角度值。在轉(zhuǎn)軸 輸出部位

11、設(shè)立角度傳感器連接部分，以及傳感器安 裝座，在機(jī)架上確定固定位置，將轉(zhuǎn)動(dòng)軸、角度傳 感器、機(jī)架連接為一體；保持角度傳感器與轉(zhuǎn)動(dòng)軸 之間的同軸度，以及與機(jī)架的垂直度。當(dāng)轉(zhuǎn)軸帶動(dòng) 滑道轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，角度傳感器將測(cè)得數(shù)據(jù)傳送到顯示 器，即可反映出滑道的傾斜角度，角度顯示精度值 為0.01 ，大大提高測(cè)量精度，減少實(shí)驗(yàn)角度測(cè)量 的誤差。該部分電源在總電源開通時(shí)開通。在使用 本實(shí)驗(yàn)裝置前，須對(duì)工作臺(tái)進(jìn)行水平調(diào)整，以免引 起滑道傾角的累計(jì)誤差。2.3數(shù)字測(cè)時(shí)測(cè)速模塊2.3.1測(cè)時(shí)測(cè)時(shí)范圍：50卜99 s；分辨率：1 3；精度： 50頃最大時(shí)間測(cè)量范圍為1 s時(shí))，0.5 ms(最大時(shí)間測(cè) 量范圍為1 s時(shí))。2

12、.3.2測(cè)速初速度：根據(jù)滑塊長(zhǎng)度和滑塊運(yùn)行時(shí)間，計(jì)算 初速度，公式如下：Vtt=s/t初。末速度：根據(jù)滑塊長(zhǎng)度和滑塊運(yùn)行時(shí)間，計(jì)算 末速度，公式如下：V*=s/t末o加速度：根據(jù)初速度、末速度及總滑行時(shí)間， 計(jì)算加速度，公式如下：a=(V末-V初)/t總。2.3.3計(jì)數(shù)計(jì)數(shù)最大容量：99 999 999；信號(hào)間最小時(shí)間間 隔1料2.3.4 顯示方式采用2.8寸TFT液晶屏，分別顯示實(shí)驗(yàn)時(shí)的滑行總 時(shí)間，初速度、末速度及滑行的加速度，可更改小數(shù) 點(diǎn)后有效數(shù)字位數(shù)。2.3.5環(huán)境條件溫度：0C40C。2.4測(cè)時(shí)測(cè)速工作原理數(shù)字測(cè)時(shí)測(cè)速以stm32f103單片機(jī)為核心，外加紅 外信號(hào)調(diào)理電路和顯示電

13、路組成。見圖4。圖4測(cè)時(shí)測(cè)速模塊構(gòu)造簡(jiǎn)圖利用兩路紅外模塊，發(fā)射紅外信號(hào)，當(dāng)滑塊滑 過遮擋紅外光時(shí)，紅外模塊會(huì)返回TTL或電平脈沖信 號(hào)。通過調(diào)理電路，將這兩路TTL或電平脈沖信號(hào)(上 升沿觸發(fā)計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí))調(diào)理變成3.3 V電平送至s tm32單 片機(jī)，由單片機(jī)完成計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)及測(cè)速等工作。2.5摩擦系數(shù)計(jì)算公式推導(dǎo)假設(shè)質(zhì)量為m的滑塊沿滑道下滑，滑道的傾角為 (P，以沿滑道向下的方向?yàn)閤軸方向，垂直于滑道向上 的方向?yàn)閥軸方向，其受力分析如圖5所示。由于靜摩 擦系數(shù)fs=tan0(0為摩擦角)，因此當(dāng)時(shí)，滑塊可沿 滑道下滑。下面導(dǎo)出動(dòng)摩擦系數(shù)的表達(dá)式。/圖5受力分析圖 TOC o 1-5 h z

14、F，= 0 N = mgcos?(1) 耳=ma ma=mg sin。-Nfd(2)將(1)式代入(2)式得出動(dòng)摩擦系數(shù)的計(jì)算公式： HYPERLINK l bookmark40 o Current Document fd = tan。a(3)geos。這里，fd是動(dòng)摩擦系數(shù)、a是滑塊下滑的加速度、 g是重力加速度。3裝置應(yīng)用3.1靜摩擦系數(shù)測(cè)試第一，打開儀器電源開關(guān)，將滑道板的傾角調(diào)節(jié) 至適當(dāng)位置。第二，將滑塊放在滑道上(靜止)，慢慢增加滑道 的傾角，只要滑塊在滑道上有輕微的相對(duì)滑動(dòng)，即停 止增加傾角，記下這時(shí)的傾角。這時(shí)傾角的正切，就 是最大靜摩擦系數(shù)。第三，重復(fù)步驟二測(cè)十次，把記錄的最大

15、和最小 值舍去，取剩余八個(gè)實(shí)驗(yàn)值的平均值即為測(cè)得的實(shí) 驗(yàn)值。3.2動(dòng)摩擦系數(shù)測(cè)試第一，打開儀器電源開關(guān)，將滑道板的傾角調(diào)節(jié) 至適當(dāng)位置(滑塊能較順暢地下滑)。第二，將滑塊放在滑道上，讓滑塊在下滑的過程 中經(jīng)過上下兩個(gè)光電傳感器。這時(shí)，可以從TFT液晶 屏上讀出的傾角和滑塊下滑的加速度，將其代入公式 即可計(jì)算出動(dòng)摩擦系數(shù)。第三，重復(fù)步驟二測(cè)十次，把記錄的最大和最 小值舍去，取剩余八個(gè)實(shí)驗(yàn)值的平均值即為測(cè)得的 實(shí)驗(yàn)值。3.3翻轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)第一，打開儀器電源開關(guān)，將滑道板的傾角調(diào)節(jié) 至適當(dāng)位置。第二，將翻轉(zhuǎn)塊豎著放在滑道上，翻轉(zhuǎn)塊的頂部 用細(xì)繩拉住，并將該細(xì)繩繞過定滑輪，另一端連接托 盤，在托盤里面加不同

16、規(guī)格的砝碼，使托盤和翻轉(zhuǎn)塊 在細(xì)繩的張力作用下保持靜止。如果要使滑塊向上翻 （或者滑），可以向托盤里面慢慢加砝碼，使其達(dá)到上 翻（或者滑）的臨界狀態(tài)（上翻：翻轉(zhuǎn)塊下邊稍微離開滑 道；上滑：只有輕微的向上滑動(dòng)的趨勢(shì)），這時(shí)，砝碼 的質(zhì)量之和加上托盤的質(zhì)量即為向上翻（或者滑）的實(shí) 驗(yàn)值。如果要使滑塊向下翻（或者滑），可以向托盤里 面慢慢加砝碼，達(dá)到下翻（或者滑）的臨界狀態(tài)（下翻： 翻轉(zhuǎn)塊上邊稍微有一點(diǎn)點(diǎn)離開滑道；下滑：只有輕微 的向下滑動(dòng)的趨勢(shì)），這時(shí)，砝碼的質(zhì)量之和加上托盤 的質(zhì)量即為向下翻（或者滑）的實(shí)驗(yàn)值。第三，重復(fù)步驟二測(cè)三次，取三個(gè)實(shí)驗(yàn)值的平均 值即為測(cè)得的實(shí)驗(yàn)值。第四，分別計(jì)算向上翻（滑）和向下翻（滑）的理論 值，并將其與所得實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行比較。3.4演示輪子純滾動(dòng)和又滾又滑實(shí)驗(yàn)第一，打開儀器電源開關(guān)，將滑道板的傾角調(diào)節(jié) 至適當(dāng)位置。第二，將輪子放在滑道上，輪子向下滾動(dòng)或者又 滾又滑的過程中，經(jīng)過上下兩個(gè)光電傳感器。這時(shí)， 可以從TFT液晶屏上讀出輪子向下滾動(dòng)（或者又滾又 滑）的時(shí)間，經(jīng)歷時(shí)間短的可以近似地認(rèn)為輪子是純滾 動(dòng)下來的，而經(jīng)歷時(shí)間長(zhǎng)的則可以近似地認(rèn)為輪子是 又滾又滑下來的。4結(jié)語(yǔ)摩擦實(shí)驗(yàn)裝置于2014年開始在同濟(jì)大學(xué)國(guó)家級(jí) 力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心應(yīng)用，有效地支持了中心理 論力學(xué)