一种改进的静水压强测试实验装置及测试方法与流程
本发明涉及水力学实验教学仪器及其测试方法，特别是涉及一种改进的静水压强测试实验装置及测试方法。
背景技术：
现有静水压强演示实验装置测定粗糙，功能单一，其主要由水箱和杠杆测力机构组成，其原理是：在静水压强作用下，承压体发生偏转，推动与之相连的杠杆旋转，待系统稳定后，在杠杆一端施加一定质量的砝码，依据杠杆平衡原理进行静水面压强的测定。
然而，由于杠杆自重及砝码精度难以控制、人眼对系统平衡的判断存在较大误差等系统或随机因素，现有装置测得的静水面压强与理论值误差较大。考察现有系统，其固有误差与操作误差不可避免。综上所述，现有装置一般只能做到对静水压强的粗略测定，且测定过程不直观、原理不明显。
除此之外，现有静水压强实验装置无法体现静水压强与水深之间的关系。在水力学、流体力学教学过程中，静水压强是一个较为抽象的概念，静水压强与水深成正比，比例系数为水密度与重力加速的积。例如：原有装置只能测得单纯的力值，对于初次接触该实验的学生来说，实验原理及物理关系抽象，致使其对静水压强的认识不深，为水力学、流体力学实验教学带来了一定的干扰。
技术实现要素：
发明目的：为解决现有技术的不足，提供一种改进的静水压强测试实验装置及测试方法。
技术方案：一种改进的静水压强测试实验装置，包括储水装置、控制机构、调平装置、承压装置以及测量传动装置，其中：
储水装置，包括支座和储水水箱，支座内部为中空结构，用于储存实验用水，储水水箱包括箱体、入水口和出水口，箱体设置于支座上方，入水口和出水口设置于箱体底部；
控制机构，用于控制支座内储存的水在箱体与支座之间流动；
调平装置，用于设置箱体处于水平状态；
承压装置，用于将静水压强转化为承压体的转动力矩；
测量传动装置，用于将承压装置的转动力矩转化为扭转弹簧的形变，通过扭转弹簧的形变得到其扭矩，进而得到静水压强与水深的定量关系，由此得到静水压强的数值。
优选的，所述控制机构包括小型泵机和双向阀门，双向阀门通过软管分别与入水口和出水口连接，小型泵机控制支座内储存的水通过双向阀门与入水口进入箱体，或控制箱体内的水通过双向阀门与出水口进入支座内。
优选的，调平装置包括水准仪和调平螺丝，调平螺丝有三个，用以将箱体固定在支座上，调平螺丝下端固定于支座上，上端与箱体下底板连接，箱体底板的一端延伸出一个平台，该平台上设置有水准仪，观察水准仪、并调节调平螺丝的高度，使箱体处于水平位置。
优选的，承压装置包括第一承压体、第二承压体和第三承压体；各承压体共轴设置，为半径大小不同的轻质四分之一圆环状结构，每个承压体的侧面设置有圆柱形凸杆，分别为第一凸杆、第二凸杆和第三凸杆，且第三凸杆、第二凸杆和第一凸杆距离承压体下矩形表面的距离依次增大；各承压体背离凸杆的侧面刻有刻度，凸杆通过圆饼与测量传动装置连接。
优选的，测量传动装置包括滑道、传动丝、仪表支座、中心轴、三联轴承、测量仪表，其中，
滑道设置于箱体远离小型泵机一侧内壁附近的平板上，该平板通过箱体底部的卡槽固定，所述滑道包括第一滑道，第二滑道和第三滑道，三个滑道分别与三个承压体上的三个圆柱形凸杆配合并通过圆饼连接，圆柱形凸杆可以沿滑道移动，每个滑道允许对应圆柱形凸杆运动范围各不相同；
三联轴承为三个并列放置的konkave轴承，分别为第一轴承、第二轴承和第三轴承；
测量仪表包括仪表盘、指针、扭转弹簧和细轴，指针设置于仪表盘正面，细轴设置于仪表盘背面，扭转弹簧缠绕于细轴上；指针包括第一指针、第二指针和第三指针，扭转弹簧包括第一扭转弹簧、第二扭转弹簧和第三扭转弹簧，细轴是一个三层套管结构，包括第一套管、第二套管和第三套管，各套管之间有滚珠，每个套管上设有对应的扭转弹簧，套管伸出仪表盘正面的部分连接有相应的指针；
仪表支座有两个，分别固定在箱体靠近滑道一侧壁和相对的另一侧壁边缘，中心轴一端固定在仪表支座上，另一端穿过滑道所在平板固定在另一仪表支座上，测量仪表固定在中心轴近滑道一端，中心轴上靠近滑道一端有一凹槽，用以放置三联轴承，三联轴承与中心轴通过滚珠间接接触，传动丝有三条，并且为在力的作用下不会产生明显长度改变的刚性丝，三条传动丝分别为第一传动丝、第二传动丝和第三传动丝；各承压体与圆柱形凸杆、传动丝、细轴的相应套管、指针一一对应。
优选的，所述扭转弹簧由具有良好弹性与回转性能的材料制成。
本发明另一实施例中，一种改进的静水压强测试方法，包括：
打开小型泵机与双向阀门，向箱体中抽入一定量的水待用；
调节双向阀门控制箱体内水的体积，判断水是否没过全部承压体下矩形表面，若是，则用于研究静水压强矩形分布；若否，则根据用于研究静水压强三角形分布；
注水后，承压体旋转的同时，承压体侧面的圆柱形凸杆随之旋转，连接在圆柱形凸杆上的传动丝绕过三联轴承中相应轴承在竖直方向产生位移，在细轴的相应套管切点拉动细轴的相应套管旋转，套管旋转带动相应的扭转弹簧发生同向旋转变形，待系统平衡后，扭转弹簧产生的角度位移通过连接在套管上的指针反映在表盘上，根据定量关系式，确定不同静水压强对应在表盘上的数值和位置，进而得到水深与静水压强的定量关系。
进一步的，各承压体两侧面大小相等、弧形面所受的力均经过中心轴中心，作用于承压体上的静水压力对中心轴的矩仅由作用于矩形平面的静水压力产生，根据静水压强方向规律公式(1)、空间力系平衡原理公式(2)和(3)，基于胡克定律公式(4)，求得不同静水压力对中心轴的矩对应的不同指针角位移；公式如下：
σ＝-p(1)；
∑fi＝0(2)；
∑mi＝0(3)；
其中，σ为承压体表面所受的面压强，p为某点静水压强，fi为系统中任意空间力，mi表示系统中任意力对中心轴的矩，m为力矩，k为扭转弹簧劲度系数，
进一步的，结合静水压力合成公式(5)、静水压力作用点与形心关系公式(6)，求得不同水深位置处静水压强关系：
∫pds＝p(5)；
其中，p为静水压力，yd为静水压力作用点的坐标，yc为承压体矩形面形心坐标，ic为承压体对水平形心主轴的惯性矩，a为承压体矩形面面积。
有益效果：与现有技术相比，本发明用于精确定量测定静水压强，并通过设置多个承压体展示不同水深下的静水压强分布规律，还可确定静水压力作用点。
本发明基于流体静力学基本方程、力及力矩的平衡原理设计。利用一种扭转角度与所受力偶成正比的扭转弹簧，带动指针偏转，实现静水压强数值的精确测定。
本发明是在现有实验设备基础上的改进。现有仪器利用杠杆原理测定压力大小，由于砝码质量不连续、人为操作存在随机性等原因，实验测得的面压强数值与理论值间误差较大。除测定静水压强的基本功能之外，本发明还可以直观准确地阐释静水压强与水深之间的关系。
本发明结构简单、原理清晰，能够直观、精确的测定静水压强，并可确定静水压力作用点。有助于学生研究三角形压强分布与梯形压强分布情况下静水压强分布特点，形成对静水压力作用点的直观认识。本发明在现有技术上做出测定原理与测定方法的改进，为水力学、流体力学实验教学提供了一种新的实验设备。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的背立视图；
图3是本发明承压装置及部分测量传动装置结构示意图；
图4是本发明的滑道示意图；
图5是本发明的测量传动装置部分结构示意图；
图6是本发明的细轴结构示意图。
具体实施方式
为使本发明目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1至图6所示，一种改进的静水压强测试实验装置，主要包括储水装置1、控制机构2、调平装置3、承压装置4以及测量传动装置5，储水装置包括支座11和储水水箱，储水水箱包括箱体12、入水口13和出水口14；控制机构包括小型泵机21和双向阀门22；调平装置包括水准仪31和调平螺丝32，承压装置包括第一承压体41、第二承压体42和第三承压体43；测量传动装置包括滑道51、传动丝52、仪表支座53、中心轴54、三联轴承55、测量仪表56，其中三联轴承为三个并列放置的konkave轴承，分别为第一轴承、第二轴承和第三轴承；测量仪表包括仪表盘561、指针、扭转弹簧562和细轴563；指针包括第一指针、第二指针和第三指针，扭转弹簧包括第一扭转弹簧、第二扭转弹簧和第三扭转弹簧，细轴包括第一套管、第二套管和第三套管，各套管直接通过滚珠连接；第一扭转弹簧套设在第一套管上，第一套管与第一指针连接；第二扭转弹簧套设在第二套管上，第二套管与第二指针连接；第三扭转弹簧套设在第三套管上，第三套管与第三指针连接。
其中，支座为矩形支座，其下方有四个支脚，内部为中空结构，在不进行实验时可将水暂存于此，支座可起到实验水存储及实验仪器的支撑和稳定作用；箱体由透明材料制成，其作用是暂存实验水、作为上部测量仪器支撑结构，箱体通过调平螺丝固定在支座上，调平螺丝有三个，其下端固定于支座上，上端与箱体下底板连接，箱体底板的一端延伸出一个平台(该平台与箱体底板一体结构)，该平台上设置有水准仪，观察水准仪、并调节调平螺丝的高度，可使箱体处于水平位置；小型泵机安置于支座上一棱边缘，位于箱体的一侧，与双向阀门构成控制箱体内水体积的控制机构，入水口、出水口分置于箱体近双向阀门侧角点附近，入水口和出水口分别通过软管与双向阀门连通，使得水可以自由通过；实验正式开始前将支座内储存的水通过小型泵机输入箱体内。
如图3所示，第一承压体、第二承压体和第三承压体为半径大小不同的轻质四分之一圆环状结构，其可由轻质材料但不限于高密度聚合物制成，其共轴放置具有不同的半径及环宽，此三段圆环可近似看作由四分之一圆切割而成；每个承压体靠近滑道的侧面设置有圆柱形凸杆44，分别为第一凸杆、第二凸杆和第三凸杆，且第三凸杆、第二凸杆和第一凸杆距离承压体下矩形表面的距离依次增大，以保证第三传动丝位于第二凸杆的上方，第二传动丝位于第一凸杆的上方；凸杆的自由端活动连接有一半径比凸杆半径略大的圆饼45，各承压体远离凸杆的侧面刻有刻度，用以衡量注水深浅；每个承压体的凸杆穿过相应的滑道后再与圆饼连接，圆饼通过螺纹固定于凸杆自由端；设置圆饼防止承压体凸杆脱离滑道；凸杆随滑道移动，使得承压体只可在对应空间区域内绕中心轴的空间旋转。
箱体远离小型泵机一侧内壁附近设置有一与该侧壁平行的直角扇形平板，在该平板的直角部分附近设有一孔，中心轴恰好穿过该孔并借此将所述平板固定，此外，在箱体内部下表面的滑道下尖角投影附近设有一卡槽，进一步固定平板；该平板与箱体侧壁平行设置，如图4所示，平板上设有三个滑道，分别为第一滑道，第二滑道和第三滑道；三个滑道为共轴设置半径大小不同的四分之一圆环状，其分别与第一承压体、第二承压体和第三承压体相对应；每个滑道与相应的圆柱形凸杆配合，圆柱形凸杆可以沿滑道移动，每个滑道允许对应圆柱形凸杆运动范围各不相同，以使未注水情况下承压体位于水平位置略偏下为宜，即未注水时各承压体不接触箱体底部。
仪表支座有两个，分别固定在箱体靠近滑道一侧壁和相对的另一侧壁边缘，中心轴一端固定在一个仪表支座上，另一端穿过滑道所在平板固定在另一仪表支座上，中心轴上靠近滑道一端有一凹槽，用以放置三联轴承，三联轴承与中心轴通过滚珠间接接触，必要时还可以施加适量润滑油，以确保摩擦力尽量小，降低实验误差，保证测量准确性。如图5所示，传动丝为在力的作用下不会出现明显伸长或缩短现象的刚性丝，且有三条，分别为第一传动丝、第二传动丝和第三传动丝，第一传动丝从第一凸杆引出后绕在第一轴承上，经过第一轴承后转变为竖直方向的移动，竖直的连接在细轴的第一套管一侧竖直方向的切点上，从而带动细轴的第一套管旋转，第一传动丝用于将第一承压体绕轴的转动角度传递给细轴的相应套管；同理第二和第三传动丝分别用于将第二和第三承压体绕轴的转动角度传递给轴的相应套管。细轴的各套管上绕有扭转弹簧，用以测量细轴的套管旋转的扭矩大小，承压体转动可以导致扭转弹簧形变，进而产生与之平衡的扭矩，得到定量关系；扭转弹簧应选用回复能力强的高弹弹簧，以保证长期实验条件下弹簧的比例关系不发生改变、表盘上所刻刻度与压强关系的对应性。
滚珠的作用是降低摩擦阻力，减少系统误差；扭转弹簧最佳由石英丝制成，但不仅限于石英丝，可采用其它具有良好弹性与回转性能的材料制成。
细轴是一个三层套管结构，套管之间有滚珠，每一个套管连接一个对应传动丝，套管近仪表盘侧连接有指针；如图6所示，若传动丝带动细轴逆时针旋转，则扭转弹簧在相同方向上产生变形，进而产生与之平衡的相反方向的力矩，系统平衡后指针示数即为所求；值得注意的是，三个承压体对应的凸杆、传动丝、细轴的相应套管、指针应该严格对应，其顺序不得调换。
本发明是一项现有高等学校水力学实验教学仪器的改进，具体涉及流体静力学领域，用于水力学实验教学中静水压强的测定与不同水深静水压强规律的探究。
本发明的科学基础是：
流体静力学基本方程(1)与静水压强特点(2)；
并涉及一些力学知识(3)-(7)，主要公式如下：
σ＝-p(2)；
∫pds＝p(3)；
本发明涉及到一些理论力学知识，主要包括力系平衡与力偶平衡，公式如下：
∑fi＝0(6)；
∑mi＝0(7)；
其中，z为水深，p为某点静水压强，ρ为水密度，g为重力加速度，c为常数；σ为承压体表面所受的面压强；p为静水压力；m为力矩，k为扭转弹簧劲度系数，
实验过程：
正确安装实验装置，将仪器固定于水平桌面上，检查各部分是否连接紧密、连接软管是否漏水，观察水准仪并调节调平螺丝确保装置水平。
实验间隔期，可以在底部支座中空结构中储存足量的水。实验前，打开小型泵机与双向阀门，根据需要抽取适量的水进入箱体中待用。
实验开始，调节双向阀门控制箱体中水的体积，值得注意的是：当水未全部没过承压体下矩形表面时可研究静水压强三角形分布，当水恰好没过全部承压体下矩形表面时可研究静水压强矩形分布；下面以水恰好没过全部承压体下矩形表面(本实施例是静水压强矩形压强分布研究的实施过程)为例进行叙述：
在静水压力的作用下，承压体将发生不同程度的位置改变，根据公式(1)，静水压强与水深之间存在正比关系，因此，水深越深，静水压强越大，水对承压体的作用力也越大。
根据公式(6)、(7)及静水压力计算原理，静水压强对承压体在圆弧部分的作用力均经过中心轴，因此对中心轴没有力矩的作用；此外，承压体两侧的静水压强作用大小相等，方向相反，完全抵消。
因此，只有承压体下方矩形截面受到的静水压强可以产生使其位置变化的效果。由公式(1)，三个承压体所受静水压力不同，对中心轴的矩也不同，结果是三个承压体绕轴旋转的角位移不同。
箱体内注水后，在承压体旋转的同时，固结在承压体表面的圆柱形凸杆随之旋转，连接在凸杆上的传动丝绕过三联轴承在竖直方向产生位移，在细轴的相应套管切点拉动细轴相应套管旋转。
细轴的每个套管都缠绕有一条扭转弹簧，扭转弹簧对细轴的相应套管有矩的作用，套管旋转带动扭转弹簧发生相同方向上一定角度的形变，由于扭转弹簧本身的性质
扭转弹簧产生的角度位移通过连接在套管上的指针反映在表盘之上，根据公式(6)可知不同承压体上静水压力对中心轴的力偶；根据公式(5)，结合中心轴到各承压体形心的竖直距离，可知各承压体上承受的静水压力及其作用点；根据公式(3)，结合已知的各承压体矩形表面面积，可求得各承压体矩形表面形心的静水压强，据此可得水深与静水压强的定量关系。可以确定不同静水压强对应在表盘上的数值及位置。此测量原理属于已有技术，在此不在赘述。
根据以上原理及方法，可以测得不同承压体所在位置的所受的静水压力，进而得到不同水深静水压强。由于不同指针对应的承压体不同，根据指针所指数值的不同，可以直观的观察静水压强与水深的位置关系。
本发明涉及高等学校水力学实验教学仪器领域，具体发明了一种可以精确测定静水压强的实验演示仪，本发明是现有实验设备基础上的有利改进。现有仪器利用杠杆原理测定面压力大小，由于砝码质量不连续、人为操作存在随机性等原因，实验测得的面压强数值与理论值间误差较大。除测定静水面压强的基本功能之外，本发明还可直观准确的阐释静水压强与水深之间关系的相关知识。本发明致力于提供一种精确且直观的静水面压强测定演示实验器材。
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