[發明專利]一種新型牛頓擺裝置

在審

• 申請號: 202010862772.1
• 申請日: 2020-08-25
• 公開（公告）號: CN111833701A
• 公開（公告）日: 2020-10-27
• 發明（設計）人: 張舜堯
• 申請（專利權）人: 張舜堯
• 主分類號: G09B23/10
• 分類號: G09B23/10
• 代理公司: 焦作市科彤知識產權代理事務所(普通合伙) 41133
• 代理人: 楊明環

本發明屬于科學玩具技術領域，公開了一種新型牛頓擺裝置，包括支架和擺球，所述擺球由n+1個A擺球和n個B擺球組成，n≥1且為整數；A擺球和B擺球的材質相同，A擺球的半徑為R、質量為M，B擺球的半徑為r、質量為m，或者每個擺球通過線懸掛在支架上，A擺球和B擺球間隔設置，A擺球和B擺球的球心位于同一水平線上且該水平線與懸掛擺球的線垂直，相鄰擺球的球心距離為R+r。本發明的新型牛頓擺裝置可達到與傳統牛頓擺完全相同的運動效果。

技術領域

本發明屬于科學玩具技術領域，具體涉及一種新型牛頓擺裝置。

背景技術

牛頓擺是由法國物理學家伊丹·馬略特(EdmeMariette)最早于1676年提出的，又稱為牛頓擺球、動量守恒擺球、永動球、物理撞球和碰碰球等。

如圖1所示，牛頓擺一般是由5個尺寸相同的金屬小球4及支架1組成的。每個金屬球用兩根細線懸掛在支架上，兩根線成一定的角度，金屬球彼此之間恰好接觸。當最右側的球擺動并撞擊其它球時，有且只有最左邊的球將被彈出；當最右側的兩個球同時擺動并撞擊其它球時，有且只有最左側的兩個球被彈出；被彈出的球旋即回彈，循環往復，嗒嗒有聲，十分有趣。

牛頓擺是一款老少皆宜的科學玩具，涉及到彈性碰撞、動量守恒、機械能守恒等重要科學概念，常常讓人愛不釋手，流連忘返。

但是，有史以來，牛頓擺裝置中各個擺球的質量都是相等的。因為質量相等的擺球發生一維對心彈性碰撞時，根據動量守恒定律和機械能守恒定律可以得出，兩球必然交換速度。牛頓擺裝置中的相鄰等質量擺球正是依次發生彈性碰撞，交換速度，最終實現了兩側對應擺球的速度交換。對于牛頓擺裝置中擺球的結構進一步研究，以改進牛頓擺裝置的結構，提高牛頓擺裝置的趣味性十分必要。

發明內容

針對上述情況，本發明的目的是提供一種新型牛頓擺裝置，采用不同質量和半徑的擺球，可達到與傳統牛頓擺完全相同的運動效果。

本發明提供了一種新型牛頓擺裝置，包括支架和擺球，所述擺球由n+1個A擺球和n個B擺球組成，n≥1且為整數；

A擺球和B擺球的材質相同，A擺球的半徑為R、質量為M，B擺球的半徑為r、質量為m，

或者

每個擺球通過線懸掛在支架上，A擺球和B擺球間隔設置，A擺球和B擺球的球心位于同一水平線上且該水平線與懸掛擺球的線垂直，相鄰擺球的球心距離為R+r。

按照本發明的一種具體實施方式，所述擺球由3個A擺球和2個B擺球組成，每個擺球通過一條線懸掛在支架上。

按照本發明的另一具體實施方式，所述擺球由3個A擺球和2個B擺球組成，每個擺球通過兩條等長的線懸掛在支架上，兩條線在支架上的懸掛點對稱設于擺球兩側。

對于傳統的牛頓擺裝置而言，由于各個小球質量相等，相鄰小球只需發生依次碰撞就能交換速度。為了便于分析研究，選用如圖2所示的具有三個擺球牛頓擺裝置作為研究模型，證實本發明的新型牛頓擺裝置的可行性。

在圖2中，甲球5、乙球6、丙球7三個球的質量分別為M₁、m₁和M₁，且M₁m₁，甲球的入射速度為v₀，則甲球和乙球、乙球和丙球、乙球和甲球、乙球和丙球之間將依次發生系列彈性碰撞。

1.1甲、乙兩球第一次相撞

在甲球和乙球的第一次彈性碰撞過程中，以甲球和乙球組成的系統為研究對象，由動量守恒定律和機械能守恒定律得：

M₁v₀＝M₁v_甲1+m₁v_乙1(1)