凯伊效应实验装置的制作方法

1.本实用新型涉及科技馆教育演示技术领域，特别涉及一种凯伊效应实验装置。

背景技术：

2.1963年，英国工程师艾伦
·
凯伊对这种现象进行了第一次描述：将混合有机溶液倒到一固体表面，这表面突然向上喷出一束液体和向下倒的液束相会，这种现象称为“凯伊效应”。然而，目前的效果演示仅通过文字、图片和视频等方式进行简单展示，不能使观看者通过实际操作对上述科学现象有直观的感受，教育演示效果不佳。为此，需要设计一个新的方案给予改进，激发观众对科学的兴趣，并深刻了解科学物理现象的意义，进而实现进一步的科学探究。

技术实现要素：

3.本实用新型的目的是提供一种展示气泡能够使船沉没这一有趣科学现象的凯伊效应实验装置。
4.为此，本实用新型技术方案如下：
5.一种凯伊效应实验装置，包括送液机构和液体承接机构；其中，
6.送液机构包括送液管、储液罐和蠕动泵；储液罐为一顶部敞口的罐体，其内盛装有实验液体，实验液体为剪切稀化的非牛顿流体；蠕动泵设置在储液罐底部，且其进液端端口靠近储液罐罐底设置；送液管为一根由依次连接的第一管体、第二管体和第三管体构成的管体；第一管体竖直设置在储液罐内，其通过固定架固定在观察罩的钢板板面上，第一管体的底端通过连接管与蠕动泵的出液端相连；第二管体水平设置，其一端与第一管体的顶端连接并形成连通；第三管体为一根短管，其竖直设置且顶端与第二管体的另一端连接并形成连通；第二管体的长度满足由第三管体送出的液体下流至储液罐外侧；
7.液体承接机构包括固定支撑杆组、活动支撑杆组和斜板；斜板以其板面朝上的方式斜向设置在储液罐的邻侧，且位于送液管的第三管体下方；斜板的一端位于储液罐的上方，且位于储液罐上方的一端低于斜板的另一端，使位于储液罐上方的一端能够探入至储液罐内；储液罐、固定支撑杆组和活动支撑杆组以呈一字排布的方式间隔设置；固定支撑杆组由两根固定支撑杆构成，两根固定支撑杆以竖直设置的方式对称设置并固定在斜板下方，使斜板的底面压配在两根固定支撑杆的顶端；活动支撑杆组由两根电动推杆构成，两根电动推杆以其活动杆竖直朝上的方式设置对称设置在斜板另一端下方；每根电动推杆的活动杆杆端通过活动连接件与斜板的底面之间形成铰接连接。
8.进一步地，该凯伊效应实验装置还包括控制机构，其由控制器和操作面板构成；其中，操作面板固定在在底座外壁上，其上设有活动杆上升控制按钮、活动杆下降控制按钮、以及蠕动泵启动按钮；控制器内设有蠕动泵控制电路板和电动推杆控制电路板；蠕动泵控制电路板采用延时电路板，其分别与蠕动泵、蠕动泵启动按钮、以及外接电源电性连接，以通过单次按压蠕动泵启动按钮启动蠕动泵并持续工作时间t；电动推杆控制电路板采用电
机控制电路板，其分别与两个电机推杆、活动杆上升控制按钮、活动杆下降控制按钮、以及外接电源电性连接，以通过单次或持续按压活动杆上升控制按钮或活动杆下降控制按钮，控制两个电机推杆的活动杆同步伸出或同步缩回。
9.进一步地，该凯伊效应实验装置还包括底座，底座由柜体和水平固定在柜体顶面上的大理石板构成；柜体内设有空腔，侧壁上设有打开空腔的柜门；控制机构设置在柜体的内腔中。
10.进一步地，该凯伊效应实验装置还包括观察罩，其为由一块顶板和四块侧板相连接形成的一个底部具有开口的罩体；顶板和其中的三块侧板均采用无透明亚力克板，另一块侧板采用金属钢板。
11.进一步地，活动连接件为第一环形体、第二环形体、连接销和固定螺母；第一环形体和第二环形体以二者中心孔相连通的方式呈竖直设置，且第一环形体固定在斜板的底面上，第二环形体固定在活动杆的杆端端面上；连接销的外径小于第一环形体和第二环形体的内径，且其一端设有外径大于第一环形体和第二环形体的内径的限位帽、尾端设有外螺纹；连接销依次穿过第一环形体和第二环形体，并通过螺纹连接在尾端的固定螺母固定在第一环形体和第二环形体之间。
12.进一步地，在各电动推杆与大理石板之间还增设有支撑座，使电动推杆在初始状态下的长度能够使斜板与水平面之间的夹角为30
°
，而当电动推杆的活动杆向外伸出至最长时，斜板与水平面之间的夹角为60
°
。
13.进一步地，延时电路板设定的延时时间t与蠕动泵的泵送实验液体的泵送流量相适应，以使蠕动泵泵送时间t后，储液罐内的实验液体的液面刚好没过蠕动泵的进液端。
14.与现有技术相比，该凯伊效应实验装置基于剪切稀化的非牛顿流体特有的力学性质设计而成，展示了剪切稀化的非牛顿流体能够表现出特有的凯伊效应的有趣现象，不仅使观众认识特殊的流体，特殊的流体力学现象，还能激发观众对科学的兴趣；在结构设计上，该装置结构简单，便于维护和维修，同时操作简便，满足目标体为全体观众的需求，通过多个按钮的设计，学龄前儿童也可以对实验装置进行斜板斜度调整操作和实验启动操作，进而独立完成实验并观察现象，具有极好的科学应用和推广前景。
附图说明
15.图1为本实用新型的凯伊效应实验装置的结构示意图；
16.图2为本实用新型的凯伊效应实验装置的侧视图。
具体实施方式
17.下面结合附图及具体实施例对本实用新型做进一步的说明，但下述实施例绝非对本实用新型有任何限制。
18.如图1和图2所示，该凯伊效应实验装置包括底座1、观察罩2、送液机构、液体承接机构和控制机构；具体地，
19.底座1由内部设有空腔的立方形柜体和水平固定在柜体顶面上的大理石板构成；其中，空腔用于设置控制机构；在柜体一侧侧壁上设有柜门，以便打开柜体空腔对控制机构进行维护和维修；大理石板的尺寸大于柜体顶面的尺寸；
20.观察罩2为由一块顶板和四块侧板相连接形成的一个底部具有开口的罩体；其中，顶板和其中的三块侧板均采用厚度为1.5mm的无透明亚力克板，另一块侧板采用金属钢板并作为背板；钢板与亚克力板的连接边沿之间，以及亚克力板与亚克力板的连接边沿之间均采用胶粘固定的方式连接固定为一个整体；
21.送液机构包括送液管3、储液罐5和蠕动泵6；其中，
22.储液罐5固定在大理石板上，其为一顶部敞口的立方形罐体；储液罐5内盛装有不超过2/3罐体体积的实验液体；其中，实验液体具体为市售购买的剪切稀化的非牛顿流体，同时，为了增加实验过程的美感，实验液体中添加由少量的蓝素，使实验流体呈天蓝；蠕动泵6设置在储液罐5的底部，且其进液端端口靠近储液罐5罐底；蠕动泵6的电源线伸出至储液罐5外侧并通过开设在大理石板上的开孔引入至底座1的空腔中；
23.送液管3为一根由依次连接的第一管体、第二管体和第三管体构成的金属管；其中，第一管体竖直设置在储液罐5内，其通过固定架4固定在观察罩2的钢板板面上，第一管体的底端通过连接管与蠕动泵6的出液端相连；第二管体水平设置，其一端与第一管体的顶端连接并形成连通；第三管体为一根短管，其竖直设置且顶端与第二管体的另一端连接并形成连通；第二管体的长度满足由第三管体送出的液体下流至储液罐5外侧；在本实施例中，固定架4为两根水平设置的钢管，每根钢管的一端固定在第一管体的侧壁上、另一端固定钢板上；
24.液体承接机构包括固定支撑杆组7、活动支撑杆组9和斜板10；其中，
25.斜板10以其板面朝上的方式斜向设置在储液罐5的邻侧，且位于送液管3的第三管体的正下方；斜板10的一端位于储液罐5的上方，且位于储液罐5上方的一端低于斜板10的另一端，使位于储液罐5上方的一端能够探入至储液罐5内；优选，斜板10与水平面之间的夹角优选为30～60
°
；在本实施例中，斜板10为一块不锈钢板；
26.储液罐5、固定支撑杆组7和活动支撑杆组9以呈一字排布的方式间隔设置；固定支撑杆组7由两根固定支撑杆构成，两根固定支撑杆以竖直设置的方式对称设置在斜板10下方，使斜板10的底面压配在两根固定支撑杆的顶端端面上；两根固定支撑杆的底端固定在大理石板上；
27.活动支撑杆组9由两根电动推杆构成，两根电动推杆以其活动杆竖直朝上的方式设置对称设置在斜板10另一端边沿处的下方；每根电动推杆的活动杆与斜板10底面之间通过一个活动连接件11铰接连接；具体地，活动连接件11为第一环形体、第二环形体、连接销和固定螺母；第一环形体和第二环形体以二者中心孔相连通的方式呈竖直设置，且第一环形体固定在斜板10的底面上，第二环形体固定在活动杆的杆端端面上；连接销的外径小于第一环形体和第二环形体的内径，且其一端设有外径大于第一环形体和第二环形体的内径的限位帽、尾端设有外螺纹；连接销依次穿过第一环形体和第二环形体，并通过螺纹连接在尾端的固定螺母固定在第一环形体和第二环形体之间；两根电动推杆的电机电源线通过开设在大理石板上的开孔引入至底座1的空腔中；
28.由于斜板10与水平面之间的夹角优选为30～60
°
，因此，可选择的，根据电动推杆初始长度(即电动推杆的活动杆没有向外伸出状态下的长度)，在各电动推杆与大理石板之间还可以通过增设支撑座8，使电动推杆在初始状态下的长度能够使斜板10与水平面之间的夹角为30
°
，而当电动推杆的活动杆向外伸出至最长时，斜板10与水平面之间的夹角为
60
°
；在实验操作过程中，观众可以通过控制电动推杆的活动杆伸出长度，实现对斜板倾斜角度的调节，进而实现观察并探究不同倾斜角度的斜板对凯伊效应产生的现象的硬性
29.控制机构包括控制器12和操作面板13；其中，控制器12设置在底座1的空腔中，其内设有蠕动泵控制电路板和电动推杆控制电路板；操作面板13固定在在底座1外壁上，其上设有活动杆上升控制按钮、活动杆下降控制按钮和蠕动泵启动按钮；具体地，
30.蠕动泵控制电路板采用延时电路板，其沿长时间设定为t；蠕动泵通过外接电源线与蠕动泵控制电路板电性连接，蠕动泵控制电路板与外接电源电性连接；蠕动泵启动控制按钮与蠕动泵控制电路板电性连接，以实现通过单次按压蠕动泵启动按钮使延时电路板上的电路接通，蠕动泵通过延时电路板与外接电源接通，进而蠕动泵启动并保持持续工作时间t，以使储液罐5内的实验液体不断泵送至送液管3的管端，并垂直下流至斜板10的板面上；其中，延时电路板的延时时间t的设定与蠕动泵6的泵送流量相适应，以使蠕动泵6泵送时工作时间t后，储液罐5内的实验液体的液面刚好没过蠕动泵6的进液端；
31.电动推杆控制电路板采用电机控制电路板；两个电机推杆的电机电源线与电动推杆控制电路板电性连接，电动推杆控制电路板与外接电源电性连接；活动杆上升控制按钮和活动杆下降控制按钮分别与电动推杆控制电路板电性连接，以实现通过单次按压活动杆上升控制按钮使电动推杆控制电路板上的电路接通，两个电动推杆通过电动推杆控制电路板与外接电源接通，并在电动推杆控制电路板的控制下驱动两个电动推杆内的电机同步正向转动，进而使两个电动推杆的活动杆朝上伸出，将斜板10的另一端顶升，斜板10与水平面之间的夹角随之变大；或实现通过单次按压活动杆下降控制按钮使电动推杆控制电路板上的电路接通，两个电动推杆通过电动推杆控制电路板与外接电源接通，并在电动推杆控制电路板的控制下驱动两个电动推杆内的电机同步反向转动，进而使两个电动推杆的活动杆朝下缩回，斜板10的另一端下降，斜板10与水平面之间的夹角随之变小；在实际操作过程中，两个电动推杆的活动杆可以通过连续按压活动杆上升控制按钮或活动杆下降控制按钮，以实现将斜板10与水平面之间的夹角调整至最大60
°
或最小30
°
。
32.参见图1，该凯伊效应实验装置的实验效果展示方式如下：
33.1)单次或持续按压活动杆上升控制按钮或活动杆下降控制按钮，调节斜板与水平面之间的夹角；
34.2)按压蠕动泵启动按钮以启动蠕动泵，此时蠕动泵开始将实验液体由储液罐持续泵送至送液管的管端，并垂直下流至斜板的板面上，泵送时间为t；
35.由于实验液体为剪切稀化的非牛顿流体，流体的液体层之间会出现平移摩擦，即“剪切”过程，而剪切稀化即说明当两层流体之间摩擦摩擦的时候，局部的粘度就会降低，即变成更稀的样子；因此，实验液体在斜板上不断堆积的过程中，会间隔的出现一个有趣的现象，即在再次下落液流的冲击作用下，在液体堆积处会形成凹陷小坑，导致再下落的液体并不会立即融合到下方的液体中，反而回呈抛物线喷射出去；这些小坑成为抛射液流的轨道，促成液流在轨道中顺利滑行的则是剪切稀化的性质；
36.3)经过时间t后，蠕动泵停止，此时落在斜板上的实验液体全部沿斜板慢慢流回至储液罐中后，即可再次重复上述步骤1)和步骤2)，以进行下一次的实验操作。
37.以上所述，仅为本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型作任何形式上的限制，上述只是本实用新型的一般原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，所作出的
简单修改、等同变化、局部替换和表面修饰，均仍属于本实用新型技术方案要求保护的范围。

技术特征：

1.一种凯伊效应实验装置，其特征在于，包括送液机构和液体承接机构；其中，送液机构包括送液管(3)、储液罐(5)和蠕动泵(6)；储液罐(5)为一顶部敞口的罐体，其内盛装有实验液体，实验液体为剪切稀化的非牛顿流体；蠕动泵(6)设置在储液罐(5)底部，且其进液端端口靠近储液罐(5)罐底设置；送液管(3)为一根由依次连接的第一管体、第二管体和第三管体构成的管体；第一管体竖直设置在储液罐(5)内，其通过固定架(4)固定在观察罩(2)的钢板板面上，第一管体的底端通过连接管与蠕动泵(6)的出液端相连；第二管体水平设置，其一端与第一管体的顶端连接并形成连通；第三管体为一根短管，其竖直设置且顶端与第二管体的另一端连接并形成连通；第二管体的长度满足由第三管体送出的液体下流至储液罐(5)外侧；液体承接机构包括固定支撑杆组(7)、活动支撑杆组(9)和斜板(10)；斜板(10)以其板面朝上的方式斜向设置在储液罐(5)的邻侧，且位于送液管(3)的第三管体下方；斜板(10)的一端位于储液罐(5)的上方，且位于储液罐(5)上方的一端低于斜板(10)的另一端，使位于储液罐(5)上方的一端能够探入至储液罐(5)内；储液罐(5)、固定支撑杆组(7)和活动支撑杆组(9)以呈一字排布的方式间隔设置；固定支撑杆组(7)由两根固定支撑杆构成，两根固定支撑杆以竖直设置的方式对称设置并固定在斜板(10)下方，使斜板(10)的底面压配在两根固定支撑杆的顶端；活动支撑杆组(9)由两根电动推杆构成，两根电动推杆以其活动杆竖直朝上的方式设置对称设置在斜板(10)另一端下方；每根电动推杆的活动杆杆端通过活动连接件(11)与斜板(10)的底面之间形成铰接连接。2.根据权利要求1所述的凯伊效应实验装置，其特征在于，还包括控制机构，其由控制器(12)和操作面板(13)构成；其中，操作面板(13)固定在底座(1)外壁上，其上设有活动杆上升控制按钮、活动杆下降控制按钮、以及蠕动泵启动按钮；控制器(12)内设有蠕动泵控制电路板和电动推杆控制电路板；蠕动泵控制电路板采用延时电路板，其分别与蠕动泵、蠕动泵启动按钮、以及外接电源电性连接，以通过单次按压蠕动泵启动按钮启动蠕动泵并持续工作时间t；电动推杆控制电路板采用电机控制电路板，其分别与两个电机推杆、活动杆上升控制按钮、活动杆下降控制按钮、以及外接电源电性连接，以通过单次或持续按压活动杆上升控制按钮或活动杆下降控制按钮，控制两个电机推杆的活动杆同步伸出或同步缩回。3.根据权利要求2所述的凯伊效应实验装置，其特征在于，还包括底座(1)，底座(1)由柜体和水平固定在柜体顶面上的大理石板构成；柜体内设有空腔，侧壁上设有打开空腔的柜门；控制机构设置在柜体的内腔中。4.根据权利要求1所述的凯伊效应实验装置，其特征在于，还包括观察罩(2)，其为由一块顶板和四块侧板相连接形成的一个底部具有开口的罩体；顶板和其中的三块侧板均采用无透明亚力克板，另一块侧板采用金属钢板。5.根据权利要求1所述的凯伊效应实验装置，其特征在于，活动连接件(11)为第一环形体、第二环形体、连接销和固定螺母；第一环形体和第二环形体以二者中心孔相连通的方式呈竖直设置，且第一环形体固定在斜板(10)的底面上，第二环形体固定在活动杆的杆端端面上；连接销的外径小于第一环形体和第二环形体的内径，且其一端设有外径大于第一环形体和第二环形体的内径的限位帽、尾端设有外螺纹；连接销依次穿过第一环形体和第二环形体，并通过螺纹连接在尾端的固定螺母固定在第一环形体和第二环形体之间。6.根据权利要求1所述的凯伊效应实验装置，其特征在于，在各电动推杆与大理石板之
间还增设有支撑座(8)，使电动推杆在初始状态下的长度能够使斜板(10)与水平面之间的夹角为30
°
，而当电动推杆的活动杆向外伸出至最长时，斜板(10)与水平面之间的夹角为60
°
。7.根据权利要求2所述的凯伊效应实验装置，其特征在于，延时电路板设定的延时时间t与蠕动泵(6)的泵送实验液体的泵送流量相适应，以使蠕动泵(6)泵送时间t后，储液罐(5)内的实验液体的液面刚好没过蠕动泵(6)的进液端。

技术总结

本实用新型公开了一种凯伊效应实验装置，包括送液机构和液体承接机构；送液机构包括送液管、储液罐和蠕动泵；蠕动泵置于储液罐底部，送液管一端插装在储液罐中、另一端延伸至储液罐外侧；液体承接机构包括固定支撑杆组、活动支撑杆组和斜板；斜板位于送液管的另一端端口下方，且低位端探入至储液罐内；储液罐、固定支撑杆组和活动支撑杆组以呈一字排布的方式间隔设置；固定支撑杆组支撑斜板底面，活动支撑杆组程度可调地设置在斜板另一端下方；该装置展示了剪切稀化的非牛顿流体特有的凯伊效应这一有趣现象，且在结构设计上，结构简单，操作简便，满足目标体为全体观众的需求，学龄前儿童也可以独立完成实验并观察现象。儿童也可以独立完成实验并观察现象。儿童也可以独立完成实验并观察现象。