科氏加速度和科氏惯性力演示实验平台说明书

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1、2014年湖北省大学生机械创新设计大赛科氏加速度和科氏惯性力演示实验平台设计说明书、图纸华中科技大学武昌分校2014年3月II科氏加速度和科氏惯性力演示实验平台设计说明书、图纸作品名称：科氏加速度和科氏惯性力演示实验平台设计者：吴志华梅园赵克恒王高峰王晔指导教师：吴修玉刘海单位：华中科技大学武昌分校II华中科技大学武昌分校科氏加速度和科氏惯性力演示实验平台设计说明书目录1绪论11.1作品背景及意义11.1.1科氏现象的产生11.1.2科氏现象的解释21.1.3问题的提出及研究意义31.2研究目标31.3研究内容32科氏加速度和科氏惯性力演示实验平台的设计方案42.1设

2、计目标分析42.1.1科氏现象运动模型分析42.1.2机械系统设计分析42.1.3控制系统设计分析52.2总体设计方案的提出52.3科氏现象运动模型的参数建立52.4机械系统设计方案62.4.1机械系统设计方案62.3.1实验平台基本原理72.5控制系统设计方案73机械设计93.1机械结构设计93.2机身设计103.2.1机身机械结构设计103.2.2机身计算与校核103.3主回转传动装置设计113.3.1机械结构设计1132华中科技大学武昌分校科氏加速度和科氏惯性力演示实验平台设计说明书3.3.2驱动及传动参数113.3.3零部件设计与计算123.4卧式回转传动装置

3、设计143.4.1驱动及传动参数153.4.2零部件设计与计算153.5机械系统的UG建模174控制系统设计184.1控制系统总体设计184.2电子系统设计184.2.1单片机控制系统的设计184.2.2单片机测试系统的设计194.2.3单片机串口通信系统214.2.4直流电机及系统供电技术224.2.5单片机主芯片介绍234.3计算机界面系统设计244.3.1计算机软件系统分析244.3.2计算机软件工具选择254.3.3LabVIEW程序设计265实验平台教学演示说明285.1使用方法285.2性能分析285.3实验结论286结束语30参考文献3132华中科技大学

4、武昌分校科氏加速度和科氏惯性力演示实验平台设计说明书1绪论1.1作品背景及意义1.1.1科氏现象的产生科氏现象，即科里奥利现象，对于非惯性系，物体在非惯性系中运动时，就会产生科氏惯性力。就地球而言，由于地球的自转，地球作为动参考系，就是非惯性系。由地球自转产生的科氏惯性力可以解释许多现象，除了南北行驶的火车两轨道磨损不一样；南北流向的河流两岸冲刷程度不同外，潮汐现象、信风与季风、傅科摆摆动平面的变动等都跟科氏力有关，如图1-1所示。图1-1a地球惯性对黄河两岸冲刷图图1-1b大气环流现象图科氏惯性力具有“虚假”和“真实”32华中科技大学武昌分校科氏加速度和科氏惯性力演

5、示实验平台设计说明书两重特性，其虚假性表现为它不是物体之间的相互作用，没有施力物体，也不存在反作用力，它的大小与参考系的运动密切相关，不符合力的定义，其真实性表现为身处非惯性系的观察者可以真实地感觉到它的存在。在赤道附近以33m/s运动的物体的科氏惯性力最大约为重力的万分之五。因此，在很多实际工程技术中，将地球看作惯性系获得的结果己足以满足准确要求。然而，对于另外一些问题，如远程炮弹的运动时，就必须考虑地球自转的影响了。第一次世界大战期间，英国炮手在马尔维纳斯群岛海战中发射的炮弹经常落在德国战舰的左方而不能命中，就是由于科氏惯性力影响所致，这些现象的产生都与科里奥利力

6、有关。物体相对于匀角速参考系作相对运动，除了离心力外，还有一个叫做科里奥利力的惯性力作用在物体上。但由于地球自转很慢，地球上的科氏力现象不容易为人们所注意和理解，因此常常被忽略。1.1.2科氏现象的解释先从一个简单的例子说起。设在以角速度ω沿逆时针方向转动的水平圆盘上，有，两点，为圆盘中心，且有，在A点以相对于圆盘的速度沿半径方向向点抛出一球。如果圆盘是静止的，则经过一段时间后，球会到达，但结果是球到达了转动的前方一点，如图1-2所示。（1-1）图1-2科氏现象解释原理图对这个现象可如下分析，由于圆盘在转动，故球离开的时，除了具有径向速度外，还具有切向速度，而的切向速

7、度为，由于的位置靠近圆心，所以，在垂直于的方向上，球运动得比远些。这是在盘外不转动的惯性系观察到的情形。对于以圆盘为参考系的，他只看到以初速度向他抛来一球，但球并未沿直线到达他，而是向球球运动的前方的右侧偏去了，这一结果的分析发现，地球在具有径向初速度的同时，还具有了垂直于这一方向而向右的加速度，应用牛顿第二定律对于加速度的解释，既然球出手后在水平方向上没有受到“真实力”的作用，那么球一定受到了一个垂直于速度而向右的惯性力。这种在转动参考系中观察到的运动物体（由于转动参考系中各点的线速度不同而产生）的加速现象中科里奥利效应，产生此效应的虚拟的惯性力叫