速度变化特征

速度变化特征（精选十篇）

速度变化特征 篇1

1 资料与方法

1.1 一般资料

选取50只健康的新西兰活兔, 雄性新西兰兔25例, 雌性新西兰兔25例;体重 (2.5±0.5) kg, 年龄6个月;所有动物均由我国第四军医大学实验动物中心进行提供。将其分为对照组和观察组各25只。

1.2 方法

1.2.1 模型建立

在同样饲养条件下, 观察组给予野百合碱溶液 (无水乙醇和生理盐水混合, 注射量为60mg/kg) , 注射方法为腹腔弹丸式。对照组则注射同样剂量的乙醇和生理盐水混合液。于28d后测定右心导管的压力, 观察多道生理参数分析记录仪的数据, 建立模型[1]。

1.2.2 超声检测

所有研究动物进行麻醉后, 常规备皮、消毒、固定, 从双侧锁骨上窝进行切面, 以显示出双侧上腔静脉的长轴, 从而获得二维管腔图像, 对吸气末的最大内经进行测量。将脉冲多普勒取样容积放在上腔静脉中段位置, 获得多普勒频谱, 对照心电图与呼吸曲线测量记录平静呼吸情况下的吸气相和呼气相。

1.2.3 病理学观察

将两组兔子麻醉致死后, 取出其肺组织并观察, 取材时需垂直在肺动脉方向。用4%多聚甲醛固定液固定48h后依次进行包埋、切片、HE染色, 于光学镜下观察。

1.3 统计学处理

对获得的数据进行正态性检验, 符合正太分布, 数据以 (±s) 表示;肺动脉压力比较采用完全随机设计的方差分析, 呼气相和吸气相数据比较及双侧上腔静脉对比采用t检验。P<0.05时差异具有统计学意义, 使用SPSS 16.0统计软件进行统计分析。

2 结果

2.1 各心腔压力的测定

观察组新西兰兔的肺动脉收缩压、舒张压均有上升趋势, 只有右房舒张压与对照组存在明显差异 (P<0.05) , 详见表1。

注:与对照组比较, *P<0.05

2.2 上腔静脉频谱参数比较

频谱多普勒显示S、D波的血流速度峰值吸气相高于呼气相 (P<0.05) , VR波、AR波的血流速度峰值吸气相和呼气相间的差异无统计学意义 (P>0.05) , 详见表2。

3 讨论

3.1 野百合碱致兔慢性肺动脉高压效果分析

本文探究了野百合碱腹腔注射建立新西兰兔慢性肺动脉高压模型的可行性, 结果显示, 建立新西兰兔肺动脉高压模型是可行的;实验初期通过对25只新西兰兔建立了慢性肺动脉高压模型, 结果显示观察组肺动脉压力与对照组相比有升高趋势。病理结果显示, 肺小动脉的管壁出现了增厚, 平滑肌组织也增殖。通过注射野百合碱溶液, 发现其可导致新西兰兔肺动脉出现组织结构的变化, 造成血流动力学的改变, 建立出的新西兰兔肺动脉高压模型具有稳定性[2]。

注:与呼气相比较, *P<0.05;心率: (271.9±25.7) bpm

3.2 上腔静脉血流速度频谱的实验分析

通过对50只新西兰兔的上腔静脉进行二维多普勒超声检测, 发现经二维、彩色和频谱多普勒对兔上腔静脉进行超声测量这一方案可以施行。观察上腔静脉的血流速度频谱, 总结出AR波的血流速度峰值在呼气相和吸气相方面都表现出了左侧上腔静脉壁比右侧高的趋势 (P<0.05) 。双侧的S波、D波及VR波速度峰值间的差异则无统计学意义 (P>0.05) 。

综上, 野百合碱溶液可改变新西兰兔的血流动力学, 建立出的新西兰兔肺动脉高压模型较为稳定, 超声心动图能有效评价兔子的心脏结构和功能。

参考文献

[1]牛瑜琳, 鲍海华, 赵希鹏.肺动脉高压分类及影像学诊断研究进展[J].中国现代医药杂志, 2010, 12 (1) :132-133.

速度变化特征 篇2

山东省利津县第一中学 毛建军

一、教学目标

知识目标：理解加速度的概念，知道加速度是表示速度变化快慢的物理量，知道它的定义、公式、符号和单位。

能力目标：发现问题和解决问题的能力──加速度的引入；

获取信息和处理信息的能力──图表、v-t图、及思考与讨论；

理论联系实际的能力。

二、教学重点、难点

加速度是力学中的重要概念之一，它是运动学与动力学的桥梁，也是高中一年级物理课中比较难懂的概念，它比速度的概念还抽象。对加速度的概念的建立过程及物理意义的理解，是本节课的重点。学生对“速度的大小与加速度的大小没有直接的关系，速度变化大，加速度不一定大”的理解有一定的困难，这是本节的难点。

三、几点想法

1．关于概念的建立过程

在建立加速度概念过程时，基于加速度太抽象，让学生首先感受。让他们感受的第一层是运动物体有速度，第二层是运动物体速度有变化，第三层是运动物体的速度变化有快有慢。从而自然地引入描述运动物体的速度变化快慢的必要性。

要得出加速度概念遇到的第一个问题是，分析所需的一系列速度值从何而来？提供现有数据给学生，还是学生自己做实验获得？我兼顾了两者。本节课的关键是对加速度的理解，开始不宜通过实验来自己获取数据，否则会喧宾夺主。在提供数据时考虑到学生对数据的可信度，提供了身边的学生感觉到的百米起跑和电动车起步，去消了学生的对数据的质疑。而在最后又通过纸带让学生自己来获取和处理数据，以期他们对加速度有更深入的理解。

2．问题的设置

思考与讨论1：主要是引导学生建立和理解加速度的概念，关于表格我没有自己填入，是想引导学生养成对多数据的对比和处理列表和做图的习惯。在练习3中让学生自己列表和填表，进一步渗透这种思想。

练习1：主要是加深学生对加速度的理解，以区别加速度与速度和速度变化量的意义。这是本节课的难点。

思考与讨论2：引导学生体会图象在反映加速度的优点，加深对v-t图象的理解，如何从图象中获取信息和处理信息。教材和高考对这一点有很好的体现。

练习2：由思考与讨论2的定性描述到定量描述。使学生对加速度有感性的认识，同时对加速度的矢量性做一个强调。第一问的设置暗示学生不要把物理学成数学。物理中图象的信息量要远大于数学中图象的信息量。

练习3在以上表述过。

3．暂时淡化三个问题

第一，只提出加速度是矢量，在直线运动中与速度方向的关系，由什么来决定待引出牛顿第二定律再研究；第二，平均加速度与瞬时速度的关系。第三，曲线运动中速度的变化的快慢

速度变化特征 篇3

关键词：器乐作品 意识速度 音乐表现特征

音乐是人类情感表现与交流的重要形式之一。它是由很多因素所构成，如拍子、节奏、速度、旋律、调式等。其中速度的概念早在2500多年前的古希腊时期，埃利亚学派的哲学家、数学家芝诺（Zeno，公元前490年-公元前425年）就已经涉及到速度的概念了。音乐速度指音乐进行时的快慢程度，在音乐曲谱上有两种表现形式。一种是用我国文字表示为：“快速”、“中速”、“慢速”等；另一种是用意大利文音乐术语表示为：Andante（慢板）、Auegro（快板）、Presto（急板）等。正如法国著名乐队指挥查理·蒙士在《我是个指挥家》一书中写道：“急板显然不是行板，不是柔板，也不是快板。每一部作品都有它内在的速度，它是和这部作品血肉相连的，正像树枝和树干一样。”

器乐作品是一种由作曲者和演奏者以各种乐器为基本载体，在前者首创和后者“在音乐作品基础上二度创作” 的音乐作品，并在“借用联觉、联想活动将抽象的音乐转化为具象音乐活动”。创作者和演奏者在决定的速度变化时，也把器乐作品的共性音乐表现特征，如节奏、曲调、和声、力度、速度、调式、曲式与织体等，打上演奏者个性特征，以异彩纷呈的作品为听众呈现。因此，在音乐作品中，音乐的速度和音乐作品所要表现的内容和情感是不可分割的整体。

一、器乐作品中有意识的速度变化类型

在器乐音乐作品中，速度的变化是无处不在的，器乐作品作为音乐思想意识的行为具象，会因各个层次的创作者意识的变化发生实际速度的变化。有意识的速度变化除了作曲者本身外，演奏和演唱者或是指挥家的二度创作也对作品起到了及其重要的影响。

（一）情感控制速度

器乐作品是“人类情感张力的深层内驱力”对“演奏技法与艺术表现的审美追求”的艺术转化，在各个层次的创作与表演实践中会受到原型思想意识的制约与引导。在器乐作品的创作和表演实践中，能控制速度的情感有两种：其一，积累性情感。主要起源于各层次作者的人生阅历、学识与情感经历，通过器乐作品实现了情感的厚积薄发，尤其把自己较为难忘或刻骨的情感变化经过，以器乐作品旋律的速度变化抒发出来。其二，突发性状况引发的暂时性情感变化。即各个层次的作者在突遇重大人生变化的情况下，对他们造成的情感应急性刺激，为他们的创作催生了灵感，让他们在个人情感的控制中实现“一弹一十有八拍”有节律性的速度变化，把“儿女情长”和“志存高远”融合起来。

（二）乐思影响速度

在器乐作品中，所谓乐思就是以某个重音为核心的曲调的音高关系、节奏与和声方面都具有鲜明特点的音组。乐思在器乐作品中，影响速度的方式有两种：第一，原乐思认识决定器乐作品的整体速度。即在不对原创作品改变的情况下，原来的乐思决定着作品的速度，尤其是在二次创作的演奏者与指挥者等，他们会在尊重原作品的基础上有意识地克制自己的情感实现对速度的控制，以最大化地体现原作品的音乐表现力。第二，乐思再创作改变器乐作品的原速度。即在原作品的基础上，演奏者或指挥者在作品整体上对乐思做出新的创作或乐思整合，出现了新的乐思变化，由此导致了新的意识决定的新速度变化，达到“妙指徵幽契”的境界。

二、器乐作品中有意识速度变化的音乐表现特征

器乐作品音乐表现随着其主题、演奏者、指挥者以及不同层次创作者的心境变化而有不同的侧重呈现，追求每次的演奏都是一次“新声含尽古今情”再创作。

（一）完美与不断创新的演奏技巧

对器乐作品而言，演奏作品与演奏技巧处在同等重要的层面。整体上不断发展且灵感不断时代化的演奏技巧，会把同一首器乐作品演绎出“高楼不掩许声出”多元性突破之美。首先，意识控制速度完善技巧。 由于原创作品的相对稳定性，演奏者或指挥者需要有意识地控制演奏的速度，为自己充分认识与表现乐思、作品主题和突出情感旋律预设足够的空间，避免“欲速则不达”的瑕疵。因此，在速度的控制上，既可以是《二泉印月》的舒缓控制，也可以是《赛马》的疾驰与飞扬。其次，意识控制速度创新技巧。主要表现为对原作品的二次创作，演奏者或指挥者在作品基本主题和旋律基础上，通过有意识的速度控制，在把原来区部的强弱、调式进行速度调整实现技巧的创新，让每一次演出都成为一次作品的创作，有不同的情感抒发，有不同的哲理娓娓道来，到达“听唱新翻杨柳枝”的创新效果。

（二）引人深思并催人奋进的音乐意境

器乐作品作为各层次作者对生活、人生、社会与个人理想的认识和感性抒发，其以行云流水的旋律，为作者与听众打造了“此曲只应天上有，人间能得几回闻”的音乐意境，每一个作品与每一次的表演，都将对不同的听众产生新的情感触动，推动他们按照自己的志向继续努力。首先，速度变化引发人生反思。在表演者有意识地速度控制下，器乐作品的主题和旋律会在“大弦嘈嘈”或“小弦切切”中，引发听众对自己人生的回顾，让他们对自己的成功与失败在内心深处重复与检查，实现与器乐作品同步性的反思。如《命运交响曲》对任何人都会产生个人反思推动。其次，速度变化引导情感变化。根据器乐作品的伤感、安静、疗伤与激情等风格分类，都直接地在抒发情感，无论是“转轴拨弦”还是“信手低眉”，甚至“未成曲调”时就已经“先有情”，引导听众在表演者有意识速度的变化中按照自己的理解“说尽心中无限事”。

（三）情节再创作

根据器乐作品存在的状态，可以分为原创基础性乐谱式作品与被以理想的乐器与方式演奏的作品两类，尤其是后者是在乐谱基础上的二次创作，从两方面实现了作品情节的再创作：其一，情节的演奏切实性整合。即在实际的表演中，表演者会根据自己的理解、乐器的适应性以及乐器之间配合，对其中的情节做出适当地取舍，让器乐作品的主题突出或更具有积极意义。例如，针对相同的曲谱运用不同乐器去演绎，则会产生不同的韵律与情节侧重。其二，情节高潮的调整和再创造。在器乐作品的欣赏中，其情节高潮部分往往是最能触动听众情感的部分，表演者会根据自己的技巧、经验和人生情感阅历，对其作出有着自己特定个性的高潮诠释。例如，奏鸣曲式的“非常规展开部”、“非常规再现部”与“非常规调性布局”等实际表演变化等。

三、器乐作品中演奏者意识控制原则初探

由于乐器有着吹奏类、打击类和弹拨类区分，针对不同乐器的运用其速度变化所展现出音乐表现特征也不同，因而，在有意识的速度控制中需要注意三个原则：第一，理性收放原则。表演者在器乐演奏中，不能按照个人的爱好无所顾忌地自由发挥，任意地在庄板、慢板、快板与自由板之间变换，而需要在尊重主题的情况下，按照整个作品基础性的旋律、节奏与曲调等，把自己的感情控制在理性限度内，进行锦上添花的有意识速度变化，而不是狗尾续貂破坏了整体艺术性。第二，主题张扬原则。有意识的速度变化，是不同层次的作者根据整个作品的构思突出作品主题意义的需要。因而，在实际的创作与表演中，只要能突出主题可以做出适当地速度变化。或追求“一弦清一心”的主题“步步惊心”，或按照递进发展原则去追求“唯见曲尽平湖深”的曲终高潮。第三，循序渐进原则。即强度速度与音乐表现之间的同步变化性，既不能一味地以某种强烈诉求的速度推进让听众麻木与疲惫；也不能一直都是不温不火让人感到枯燥乏味。因此，在速度的变化中，对旋律与情感的抒发要具有螺旋式的递进作用，让听众随着开始的惊艳或美好，逐渐地深入不断创设的音乐胜境，让器乐作品在“一声一声”、“一弦一弦”中，逐渐呈现从“春燕呢喃”到“秋雁鸢飞”的高潮递进。

四、结语

器乐作品有意识的速度变化，是其音乐特征的表现之一。由于器乐作品及其表演载体的多样性，依然需要作出三方面的研究：一是乐队器乐作品的有意识速度变化研究，尤其是乐手之间的配合；二是指挥者与演奏者之间的意识配合，如何把指挥的意识融入到演奏意识中；三是不同器乐作品在运用不同乐器的有意识速度变化研究。

参考文献：

[1]王雪桦.音乐实践中速度感的训练与培养[J].乐府新声（沈阳音乐学院学报），2010，（02）.

[2]郭华.器乐表演在二度创作中的联想功效[J].音乐创作，2014，（05）.

[3]林东坡，郁茜茜，赵烨.器乐表演与原型：以二胡为例[J].艺术百家，2011，（S2）.

速度变化特征 篇4

【片段一】视频欣赏: 创设情景, 感知类比, 引入新课 ( 播放猎豹和羚羊奔跑的视频复习“速度”知识, 之后播放世锦赛博尔特百米飞人大战的片段)

师: 注意解说员对博尔特起跑动作的描述。

生: 比赛开始, 博尔特的起动在第一, 50米时冲刺在前……

师: 起动在第一表示什么含义呢?

生: 速度变化多, 速度变化快……

师: 类似于速度表示快慢, 起动的快慢也应该用一个物理量来表示, 这就是今天我们要研究的课题———加速度。

【剖析】本片段教师通过两段视频引入新课, 视频1通过对猎豹和羚羊奔跑的对照描述引导学生复习了速度, 而视频2在此基础上通过对博尔特起动、冲刺的描述又引入新的物理量———加速度, 实现了新旧知识的衔接。同时, 引课过程中以《人与自然》短片和《百米飞人大战》视频作为素材, 能够联系学生的生活经验, 让学生感觉亲切自然, 生动有趣; 并且通过速度与加速度的类比, 让学生明晰了物理概念引入的“共通原理”和“现实背景”, 明确了知识的“来龙去脉”。

【片段二】课件呈现: 逐层认知, 对比内化, 消除误区 ( A. 自行车下坡; B. 公共汽车出站; C. 某舰艇出航; D. 火车出站)

比较A、B情景, 谁的速度 变化大? 谁的速度变化快?

比较B、C情景, 谁的速度 变化大? 谁的速度变化快?

比较C、D情景, 谁的速度 变化大? 谁的速度变化快?

【剖析】本片段中教师通过自行车下坡、公共汽车出站、某舰艇出航和火车出站这四个情景运动的定量描述, 要求通过推算比较各种情景的速度变化大小及速度变化快慢的相互关系, 在此基础上顺势引入加速度。在此过程中, 教师的引导是从推算速度的变化量开始, 再推算平均每1秒 ( 单位时间内) 速度的变化量, 最后再通过计算明确速度变化大小和速度变化快慢并不一样, 即速度变化大的运动物体速度不一定变化快, 从而澄清了以往学生在学习加速度时容易把速度变化大小和速度变化快慢混同的认知误区。同时引导学生认知是从易到难、逐层深入的, 符合学生的认知特点。

【片段三】联系实例, 内化概念, 掌握方法

案例1: 飞机的速度由0增加到约300km / h, 飞机的速度的变化是多少?若发生这一变化用时约30s, 则物体的速度平均每秒增加多少?

生: 300km/h约相当于83m/s, △v/△t= ( 83-0) /30m/s2= 2. 8m / s2。

【片段四】同中求异, 异中导思, 剖析升华

师: 两辆汽车以相同的速度变化率分别做匀加速运动和匀减速运动, 速度变化情况完全一样吗?

生: 两车速度变化快慢相同, 但前者速度越来越大, 后者则反之。

师: 由此你想到了什么?

生: 仅凭速度变化快慢 ( 速度变化率的大小) 不能完全反映速度变化的规律, 我们还要清楚速度到底是逐渐增大还是减小。

师: 既然如此, 作为表征速度变化规律的物理量———加速度, 我们可以用其大小表示速度变化的快慢, 但仅仅靠大小能不能完全反映速度变化的规律?如果不能, 我们可以怎么进行完善?

生: 不能。我们可以在用加速度的大小表示速度变化快慢的基础上, 用加速度的方向 ( 正负) 来表示速度增大或者减小。

【剖析】本节教师为了引入加速度的矢量特性, 首先设置了两辆汽车以相同的速度变化率分别做匀加速运动和匀减速运动的情景, 通过对两种情景的对比思考使学生明确, 仅凭速度变化快慢 ( 速度变化率的大小) 并不能完全反映速度变化的规律。在此基础上, 教师进一步引导学生联系实际, 得出加速度不仅有大小, 而且有方向, 是矢量。

【片段五】联系实际, 学思结合, 学用结合

日常生活中, 对于运动物体说它走多远, 是指路程或位移, 说它走得多快, 是指速度, 而对加速度则没有相对应的典型词语。一般只有笼统的“快”和“慢”, 往往指的是速度。但有时也有一些说法是模模糊糊地指加速度, 请大家讨论哪些说法中指的是加速度?

生1: 汽车的加速性能是汽车的一个很重要的参数, 有人说, 我这车好, 启动快。

生2: 在百米赛跑中, 我们常说某某同学身体素质好, 有很好的爆发力, 起跑快。

……

速度变化特征 篇5

（时间50分钟

80分)

一、选择题（共8小题，每小题4分，共32分，在每小题所给的答案中有一项或几项是正确的，选对但不全得2分）

1．以下对于加速度这个物理量概念的认识中，错误的是（）A．加速度数值很大的运动物体，速度可以很小

B．加速度数值很大的运动物体，速度的变化量必然很大 C．加速度数值很大的运动物体，速度可以减小得很快

D．加速度数值减小时，物体运动的速度值也必然随着减小

2．根据给出的速度、加速度的正负，对具有下列运动性质物体的判断正确的是（）A．v0＜0、a＞0，物体做加速运动

B．v0＜0、a＜0，物体做加速运动 C．v0＞0、a＜0，物体先做减速运动后加速运动

D．v0＞0、a=0，物体做匀速运动 3．关于匀变速直线运动中的加速度方向，下列说法中正确的是（）

A．加速度的方向总是与初速度的方向相同

B．加速度的方向总是与末速度的方向相同 C．加速度的方向总是与速度变化的方向相同

D．加速度的方向总是与位移的方向相同 4．如果物体在运动过程中的加速度恒定，则（）

A．物体的瞬时速度总与时间成正比

B．物体可能做加速运动也可能做减速运动 C．物体运动的方向不变

D．在相等的时间内，物体速率的增量相等 5．在下面所说的物体运动情况中，不可能出现的是（）A．物体在某时刻运动速度很大，而加速度为零

B．物体在某时刻运动速度很大，而加速度很大

C．运动的物体在某时刻速度为零，而其加速度不为零

D．做变速直线运动的物体，加速度方向与运动方向相同，当物体加速度减小时，它的速度也减小

6．有一个物体做直线运动，其速度——时间图像如图所示，从图中可以看出，物体加速度方向和速度方向相同的时间段是（）A．0＜t＜2s

B．2s＜t＜4s

C．0＜t＜2s和6s＜t＜8s

D．0＜t＜2s和5s＜t＜6s 7．一个质点做变速直线运动的v-t图像如下图，下列说法中正确的是（）A．

二、填空题（共3小题，每小题5分，共15分，把最简结论填到横线上）至少一道实验题（体现出新课标）

9．加速度：用来描述速度 的物理量。物体的加速度等于物体速度的变化与完成这一变化所用时间的比值，即a=。

10．一质点做直线运动的v-t图像如图所示。质点在0～1s内做

运动，加速度为

m/s2；在1～3s内，质点做

运动，加速度为

m/s2；在3～4s内质点做

运动，加速度为

m/s2；在1～4s内质点做

运动，加速度为

m/s2；

11．一子弹用0.02s的时间穿过一木板,穿入时速度为800m/s,穿出时速度为300m/s,则子弹穿过木板的加速度为

.三、论述计算题（共3题，共33分，解答要有必要的文字说明、方程式和重要的运算步骤，直接给结果的不得分。）

12．有些国家的交通管理部门为了交通安全，特别制定了死亡加速度为500g这一数值（取g=10m/s2）以警世人。意思是如果交通工具的加速度达到这个值，人将有生命危险。这么大的加速度，一般的车辆是达不到的。但在发生了交通事故时，就有可能达到这个数值。请你看下面的例子：

两辆摩托车的时速是36km/h，相向行驶而发生碰撞，碰撞时间为2×10-3s，请你判断以下驾驶员是否有生命危险？

13．下图所示为某物体做匀加速直线运动的v-t图像，根据图中的数值。请你算出物体运动的加速度的大小，并用v1=10m/s，v0=6m/s，t=20s，Δv=4m/s写出加速度a的一般表达式。

14．某同学为了测定气垫导轨上滑块的加速度，他在滑块上安装了宽度为2cm的遮光板。然后他利用气垫导轨和数值毫秒计记录了遮光板通过

参考答案：

一．选择题：

1、BD；

2、D；

3、C；

4、BD；

5、D；

6、A；

7、CD；

8、D； 二．填空题：

9、变化率、vtv0；

10、匀加速直线、4、匀减速直线、-

2、反方向匀加速t直线运动、-

2、匀变速直线、-2；

11、2500m/s； 论述与计算题：

12、有危险；

13、①a=

10641vvtv00.2(m/s2)②a=。

速度变化特征 篇6

关键词： 小车速度随时间变化 实验方案 改进措施

一、引言

在高中物理的整个学习过程中，力学一方面是其中最重要也是最难以理解的内容之一，另一方面，力学的内容又贯穿后续的学习过程，是考试的重点，因此采用实验的方法对于掌握好力学知识至关重要。高中生应当清楚地认识到物理实验对于深入学习和理解新知识的重要意义，在实验操作过程中提高自身的动手能力，培养自身的科学素养，达到较好的学习效果。下面以“小车速度随时间变化”为例，从不同方面对该实验方案提出自己的改进措施。

二、“小车速度随时间变化”实验前的改进

（一）“小车速度随时间变化”实验前的改进

在学生的观念里，物理课程的重点在于课堂上教师的知识讲解及课后的习题练习，对待物理实验通常不大上心，但实际上，物理实验的作用不仅仅是为了完成课程任务，因此要想在物理实验课程上能够颇有收获，首先要做到的是必须端正自己对物理实验课程的认识，在端正认识的前提下才能让自己更投入。其次，对于实验中所使用的实验器材需要有所了解，在“小车速度随时间变化”的实验中用到的实验器材有小车、打点计时器、细绳、砝码、一端带有滑轮的长木板、刻度尺、纸带等，其中打点计时器作为其中重要的实验仪器，实验之前对其工作原理和工作方式进行了解，对于实验结果的理解非常有帮助。然后，对于课本中给出的实验方案也需要提前进行预习，对实验数据的记录、实验步骤等内容提前了解，这样在实验过程中才能做到胸有成竹。最后，实验前进行一些思考，为自己设置一些问题能够帮助自身加深对实验的理解、发散思维，比如重物质量的变化是否对小车速度随时间的变化规律有影响，实验数据的处理能不能有更简单的方法等。

（二）“小车速度随时间变化”实验过程的改进

图1所示的是该实验的装置，具体步骤是，先将带滑轮的长木板放置在桌上，保证滑轮一端超出桌子边缘，打点计时器则固定在长木板的另一端，再把电路部分完成；接着，将细绳的一头绑住小车，另一头则挂上砝码，并且细绳要跨在轮滑上，纸带一头要穿过打点计时器，另一头与小车相连；然后，将小车放置在打点计时器附近，接通电源，释放小车，小车在砝码质量作用力下拉着纸带一起运动，打点计时器在纸带上留下小点；最后，将以上步骤重复实验两次，再增减使用砝码的重量，按以上步骤重复两次实验。

图1 “小车速度随时间变化”实验装置

在自身实验的过程中发现，虽然按照以上步骤进行操作，但是仍然出现了一些问题：小车运动过程中卡壳、摇晃、不流畅，无法得到有效的实验数据；纸带上的点过密或者个数太少；纸带上的点间距变化不规律，等等，通过反复的实验、分析、故障排查，在“小车速度随时间变化”的实验过程中，还需要做以下方面的改进以提高实验结果的有效性和准确性。

第一，在将打点计时器纸带限位器固定在长木板上之前，必须保证二者在纵轴位置平齐，使得滑轮、细绳、小车、纸带处于同一条直线位置上，避免在小车运动过程中由于实验器材的位置不对齐产生多余的摩擦外力导致小车卡壳、摇晃、运动流畅。此外，为避免同样的问题，打点计时器、纸带、与长木板也必须保证平齐[1]。第二，打点计时器所打的点过密或太疏的直接原因是砝码的重量不合理，砝码数量直接影响小车受到的牵引力的大小，牵引力大，纸带上的点太少，牵引力小，纸带上的点过密，这些对实验分析都产生不良影响。因此，在实验中必须选择合适的砝码个数，质量控制在100克以内为宜，或者由于单个砝码的质量是固定的，不宜控制小车拉力，可以采用将砝码用塑料小桶和细沙代替，小桶与细沙的质量可以通过电子秤测量得到，这样更方便小车拉力大小的控制。第三，滑轮的高度也必须加以控制，当细绳跨过时细绳与长木板保持平行时最佳，还可以将打点计时器一端稍微抬高，使轻推小车时，小车可以平稳运行，这样做的是为了消除小车在运行中受到的摩擦阻力，保证实验结果的准确性。

（三）“小车速度随时间变化”实验数据处理的改进

在实验数据处理时，往往是将获得的纸带舍去开头的密集点的部分，然后确定一个起点，以五个点的时间间隔为单位时间，测量每五个点之间的距离S■，S■，S■……再计算出v的值，从而做出v-t图，最终得到小车速度随时间变化的规律。

这种数据处理方式明显存在误差：其一，在测量过程中会产生测量误差；其二，在计算v的过程中，容易出现计算错误，此外，还有计算结果舍去的误差；其三，在作v-t图像时，作图的能力的差异将产生误差。这些误差逐层累积，最终导致v-t图像并非预期的那样是一条严格的直线，为此，采用粘纸带的数据处理方法进行代替。

选取合适的一段纸带，将纸带每隔0.1s剪断，打点计时器所打的点都保留在纸条的同一侧，便得到若干条相同时间间隔的短纸带，然后将这些纸带并排贴在纸上，在贴的过程中，纸条不带点的一端对齐，作为v-t图像的时间轴，标明时间刻度，纸条的另一端的中间位置上有打的点，将这些点连接起来，就得到了所求的v-t图像，如图2所示。

图2 粘纸带方法得到的图像

该处理方法的依据是很短时间某点的瞬时速度等于该段时间内的平均速度，v-t图体现的是每段时间中点时的速度与时间的关系，为了结果更精确，可以在所打的纸带上每隔6个点取一个计数点，也就是说每隔0.12s剪断纸带，这样更方便标注出每一段纸带上的中间点，再按上面的步骤处理，最后连接的是中间点，最终得到每隔0.06s的速度和时间的关系[2]。

三、结语

通过在实验过程中认真思考，发现问题，解决问题，不断改进和完善实验方案，提高了实验的准确性和有效性，对于相关知识点的理解和科学研究能力都有很大促进作用。

参考文献：

[1]吴好.实验：探究小车速度随时间变化的规律[J].新高考（高一物理），2014（8）.

浅析人造卫星在轨运行速度的变化 篇7

关键词：浅析人造卫星,轨道速度变化,万有引力

在轨道上运行的人造地球卫星由于受到大气阻力、太阳等天体的作用,卫星的机械能会发生变化,其在轨运行的速度也会随之变化,从而导致卫星的运行轨道离地高度不断变化(为被动变轨),以至于影响卫星的正常使用和使用寿命,为此,每经过一段时间就需要对卫星进行轨道维持(为主动变轨)。在这被动变轨和主动变轨的过程中,卫星的运行速度都将发生变化。下面试图对卫星运行速度的变化作一些探讨。

一、人造卫星在轨运行的速度

(1)卫星在轨运行时,由于受到的阻力很小,卫星的机械能损耗较小,其运行轨道高度的变化很慢,卫星运行的每一周可以认为是匀速圆周运动,故卫星对力心的角动量守恒和总机械能守恒。如图1所示,设一质量为m的卫星绕地球沿椭圆轨道运动,椭圆长半轴长为a,短半轴长为b,地球中心位于椭圆的焦点处,在某一时刻卫星的位置矢径为r,卫星的速度方向沿椭圆轨道切线方向,将V正交分解为Vr和VI。则有

卫星的总能量:

卫星在近地点A处和远地点B处时,Vr=0,因此

故:

则卫星在轨运行的速度为:

可见卫星沿椭圆轨道运行的轨道速度V只与它所在轨道r有关,与卫星质量m无关,因此,r越大,速度V越小;r越小,速度V越大。

当卫星轨道为圆轨道时,r=a,则:V

(2)卫星绕地球在椭圆轨道上运行时,由开普勒第一定律可知,地球位于卫星椭圆轨道的一个焦点上,如右图2所示。

卫星在轨道上运行到近地点A和远地点B时所受万有引力的方向与卫星线速度的方向垂直;卫星在椭圆轨道上的其他位置时所受万有引力的方向与线速度的方向不垂直。无论卫星在哪个位置,所受到的万有引力都不等于卫星在该点所需要的向心力,故卫星在椭圆轨道上运行时线速度的大小和方向均会不断地发生变化。

运动到近地点A处时,卫星的运行速度较大,地球对卫星的万有引力小于卫星做半径为Ra的圆周运动所需的向心力,卫星做离心运动,运动轨迹是椭圆;卫星由近地点A向远地点B运动时,随着卫星到地心的距离的增大,受到的万有引力减小,卫星克服万有引力做功,消耗其动能,从而使卫星的引力势能增大,运行速度减小。

运动到远地点B处时,卫星的运行速度较小,地球对卫星的万有引力大于它绕地球做半径为Rb的圆周运动时所需向心力,卫星做向心运动,运动轨迹是椭圆;卫星由远地点B向近地点A运动时,随着卫星到地心的距离减小,受到的万有引力增大,万有引力对卫星做功,导致卫星的引力势能减小,而使卫星的动能增大,运行速度增大。

卫星运动到椭圆轨道上的其他位置(如C处)时,所受万有引力的方向与速度方向不垂直,可将万有引力正交分解为切向分力和法向分力,切向分力使卫星加速或减速,法向分力使卫星速度方向改变。

二、卫星的“加速”

卫星在轨运行后,由于受到大气阻力、太阳等天体的影响,卫星的机械能会损失,对卫星运动的影响表现在轨道半径、轨道速度、能量和周期等方面的变化,这种变化是以渐变的形式进行的。

下面主要讨论大气阻力对卫星运动的影响。设卫星在半径为r的圆轨道上运行时受到恒定的大气阻力f作用,因为f很小,所以卫星每转一周轨道半径的变化是很小的。简单起见,我们将卫星的轨道近似地当作圆轨道处理,计算其能量和轨道半径的变化情况。卫星绕地球一周大气阻力做功为W=2πrf,卫星的总机械能减少,轨道半径也由r减少了△r。则:

卫星的势能改变量:

表明卫星的引力势能减小了。

卫星的动能改变量:

表明卫星的动能增加了,绕行速度加快了。

而卫星总机械能的改变量:

表明卫星的总机械能减少了。

由轨道半径的改变量:

以上结果表明,卫星在轨运行时要克服大气阻力做功,消耗它的机械能。每当卫星的总机械能减少一份时,它的引力势能就要减少两份,其中一份引力势能用来克服大气阻力做功,另一份引力势能用来增加卫星的动能,使它的速度增大,而这时卫星离地的轨道高度下降。

三、卫星的“减速”

当卫星离地轨道高度下降后,会影响卫星的正常使用,这时需要对其进行轨道控制,使其回到设计的标称轨道附近,即轨道维持。为了抬高卫星的轨道高度,需要在远地点B和近地点A处启动发动机加速,如图3所示,这时,卫星的轨道由原来的轨道1升到轨道2,在该过程中卫星发动机加速要做功,增加了卫星的机械能,也增加了卫星的动能,但同时卫星需要克服万有引力做功和克服大气阻力做功(很小),从而使卫星的引力势能增加、动能减少,卫星的轨道速度也由V1变为V2,变化情况如下:

前后的引力势能:

前后的动能:

前后的速度:,

表明卫星的轨道速度减小。

总之,在轨运行的人造卫星,在大气阻力作用下,轨道高度下降,其轨道速度增加,是由于万有引力对卫星做功,减少其引力势能,从而增加其动能;在抬高卫星轨道高度时,卫星发动机加速而做功,增加其机械能,这时卫星又要克服万有引力做功,减少其动能,其轨道速度减小,从而增加其引力势能。卫星轨道速度的这种变化的根本原因在于卫星轨道速度只与轨道离地高度有关。

参考文献

[1]漆安慎,杜婵英.力学基础[M].北京:高等教育出版社,1982.

基于速度变化量的车辆折算系数研究 篇8

对于车辆折算系数的研究, 1950年HCM给出两车道平原地区一辆卡车产生的影响和两辆小汽车相同[2]。1965版的HCM之后, 各种交通状况下的车辆折算系数得到了广泛的研究[3]。Krammes等[4]根据不同的车辆跟随情况, 给出了依据时距的车辆折算方法, 该方法中考虑了大车跟随大车, 大车跟随小车, 小车跟随大车以及小车跟随小车等情况下得平均车辆间距, 由于该方法较简单, 实际参数提取实现也较容易, 使得该方法得到了较为广泛的应用。Nathan Webster等[5]使用FRESIM仿真软件, 以密度相等为基础, 分析了车辆折算系数的推算方法。Ahmed F.Al-Kaisy等[6]以车辆排队消散时的交通量为数据来源, 以通行能力变化最小为目标建立了优化函数, 设定通行能力的取值范围作为约束条件, 以车辆折算系数为变量, 得到了车辆折算系数值。Umama Ahmed[7]通过实测数据, 使用了车头时距法分析了各种车辆的折算系数。付强等[8]以对道路的服务水平影响相同为基准, 通过Greenshield模型, 借助VISSIM仿真平台对不同流量、不同混入率下得车辆折算系数进行了研究。敖谷昌等[9]通过分析时间占有率和车辆折算系数的特征, 给出了以时间占有率为基础参数的车辆折算系数计算方法。

以大型车对标准车产生的三个方面的影响分析为基础, 从现实参数易于提取的角度出发, 提出了基于速度变化量的车辆当量折算系数, 通过对影响折算系数的流量、服务水平、坡度、大车比例等进行分析, 构造相应的仿真场景, 使用文中提出的以速度的变化量为基础的车辆折算系数方法, 对不同仿真场景下的车辆折算系数进行了分析。该方法为车辆折算系数的研究提供了一种新的思路。

1 车辆折算系数研究状况分析

1.1 基于交通密度的车辆折算方法

交通密度的定义为单位长度车道上某一瞬间所存在的车辆数。流量为单位时间内通过某一段面的车辆数。基于交通密度的车辆折算方法步骤为:首先, 只使用标准车, 使用仿真的方式产生从0到通行能力的9种不同交通流量下的流量-密度, 使用这9个点绘制成曲线;第二步在混合交通情况下使用仿真的方式绘制同样的流量-密度曲线;第三步将其中Δp比例的标准车使用同样数量需要折算得车辆;第四步运行替换后的混合交通, 将得到对应的流量和密度, 如图1中的C点;第五步画一条水平的曲线, 和另外两个已绘制曲线的交点分别记为B和A, 可以得到点B和A对应的流量值qM和qB, 则车辆折算系数可以使用下式计算[5]:

该方法在基于密度相等的基础上给出了车辆折算系数计算的方法, 但在现实中实现上述步骤较难实现。

1.2 时距法

车头时距的定义为用时间表示同一队列中相邻两辆车车头之间的间隔。时距法, 就是根据车辆的车头时距分析车辆的折算系数。其表达式为[4]:

式 (2) 中, 为小车跟随大车的平均车头时距;为大车跟随小车的平均车头时距;为小车跟随小车的平均车头时距;为大车跟随大车的平均车头时距;p为大车的比例。

另外, 在使用车头时距进行计算时, 如果检测是从车辆后轴开始, 如下图所示。则后车起主要影响, 前车对车头时距的影响不大, 即应该相差不大, 因为此时主要的距离是考虑后车长度加上两车间的间隙如图2所示。

而两车速度在连续流时则相差不会很大, 因此, 在相同情况下, 这两种组合下车头时距也相差不大。此时, 上式简化为:

如果进一步设定相差不大, 此时, 式 (3) 简化为:

式 (4) 中, 是大车的平均车头时距, 是小车的平均车头时距。

时距法算法较简单, 且参数提取较容易, 但在车辆流量比较少的情况下, 大车与大车或者大车与小车的车头时距可能小于小车与小车的车头时距, 此时得到的PCE将出现小于1的情况, 且在上述算式简化的过程中没有考虑大车对驾驶员心理影响造成的车辆间距的不同。

1.3 超车法

超车法的基本计算公式如下[10]:

式中, s2i是被超越车辆的速度;s1j是超车的速度;Xi是被i车超过的车辆数;Yj超过j车的车数, n和m分别是被超越和超越的车辆数。速度指单位时间内车辆行驶的距离。

式 (5) 是只有标准车的情况下得到的Nb值, 在混合情况下, 使用同样数量的大车替换小车, 会观测到另外一组情况下得Nm值, 而车辆当量系数及为:

超车法适用于两车道的情况, 计算表达式较简单, 但方法需要的观测的数据较多, 且现实中不宜观测。

2 基于速度变化量的车辆当量换算系数分析

车辆速度能够直接体现驾驶员对道路以及交通状况的反应, 如后面跟驰行使的小车前是大车, 则由于大车的加、减速以及自身速度较小型汽车均要小一些, 而且后面跟驰行使的小车驾驶员的视线容易被前面行使的大车所遮挡, 另外, 由于大车的体积较大, 给后面行使的小车驾驶员的心理上会造成一些影响, 使得驾驶员会采取较谨慎的驾驶方式, 所以将会直接反映在驾驶员选取较低的行使速度跟驰在大车之后。而如果一辆小车跟驰行使在另一辆小车之后, 则由于车辆的动力特征相似、视野较开阔等因素, 后车驾驶员会采取比较激进的方式跟驰行使, 相对行使的速度也较快。所以本论文选择使用速度作为车辆当量换算的参数, 根据速度变化情况分析车辆当量换算系数, 即由于大车的混入带来的车均速度变化与标准车车均速度变化的比值, 参考R.F.Benekohal等[11]对交叉口车辆折算系数的研究思路, 给出基于速度的车辆折算系数表达式为:

式 (7) 中, S-PCEi, j表示第i种车辆在第j种交通情况下的车辆当量换算系数;Δsi, j表示第j种混合交通情况下, 第i种车辆引起的平均行使速度的变化量;sb, j表示只有标准车辆的时候, 在第j种交通情况下的平均行使速度。

如果得知该路段所有车辆的行使速度, 则可以得到混合行使和标准车行使情况下的总车辆行驶速度, 即

式中, Si, j混合i种车辆在第j种交通情况下的车辆行使速度总合;si, j, k混合i种车辆在第j种交通情况下第k辆车的车辆行使速度;Sb, j为标准车辆在第j种交通情况下的车辆行使速度总合;sb, j, k为只有标准车时第k辆标准车的行使速度;n为行驶的车辆总数。

则由车辆当量换算系数的计算式可以得到

式 (10) 中, si, j表示混入第i种车辆后, 在第j种交通情况下的平均行使速度;nj为i种车的流量, pi, j为i种车在第j种情况的比例。

3 仿真试验及分析

3.1 因素选取

大车与小车的区别主要可以概括为以下三个方面:大车的空间尺寸比小车大, 一般而言, 普通的公交车长度为12 m左右, 而小汽车的长度为4.6 m左右, 所以, 与小汽车相比, 行使在道路上的大车将占用更多的空间位置;大车的动力特征与小车存在差别, 与小汽车相比, 大车的平均加速度、速度比小汽车小, 从与小汽车相同的初始速度加、减速至另一个相同的速度, 大车需要消耗更多的时间与空间;大车会对行使在其前、后以及邻近车道的车辆驾驶员心理和操作带来影响, 如一辆小车跟随在大车后行使, 由于大车对小车驾驶员视线的遮挡, 小车驾驶员无法看到前方道路、标志等情况, 造成小车驾驶员在心理较为紧张, 驾驶操作上也较为谨慎, 而小车驾驶员也更倾向于远离大车或者在换道条件许可的情况下更换到其他车道行驶。

对于车辆当量系数影响因素的选择, 可以从以下几个方面进行分析:

(1) 车道数。由现场的交通情况可知, 只有一条车道时, 车辆没有换道选择, 所以小车只能跟随在大车后行使, 受大车的影响较大;有两条车道时, 增加了车辆换道的可能性, 即跟随在大车后行使的小车可以根据具体的交通情况选择更换到隔壁车道行驶, 或者选择隔壁车道超过大车行使;有3条车道时, 车辆选择换道的概率将大大增加, 此时, 如果有两辆大车并排行使, 则跟随在两辆大车后的小车可以选择第三条车道换道;三条以上车道的情况车辆换道可能性则进一步增加。所以论文选择分析的车道数分别取为1~4条。

(2) 流量。当车辆数比较少时, 车辆以自由行使速度行驶, 受到大车的影响较小, 当车辆数比较多时, 车辆处于跟驰行使的状态, 此时, 跟随在大车后的小车将受到大车的影响, 所以流量对于车辆折算系数值将存在影响。由于研究区分了坡度, 即分析地形为山地城市, 参考重庆市城市道路交通规划及道路设计规范, 设置一条车道的输入流量分别为200 v/h, 500 v/h, 1 100 v/h, 1 300 v/h作为不同服务水平下的交通量。

(3) 坡度。由于大车和小车具有不同的爬坡性能, 在不同的坡度路段, 大车和小车的加、减速以及速度运行特征有所差异。以下坡为例, 相对于平坦的道路情况, 小车比大车具有更高的加速度和速度, 且驾驶更为灵活。但如果小车跟随在大车后行使, 则受到大车的影响, 更高的加速度和速度以及驾驶行为均无法体现, 所以, 坡度对车辆当量折算系数也有影响。参考重庆市城市道路交通规划及道路设计规范, 本次分析将坡度最高取为9%, 中间取5%, 即坡度取值分别为0, 5%, -5%, 9%, -9%。

(4) 大车比例。大车比例较低时, 大车出现的概率较小, 对于小车的影响可能较小, 而大车比例增加时, 则对小车的影响可能会增加。综合近几年重庆市和其它城市公交比例, 本次取大车比例最大值为40%, 即所取得大车比例分别为0%, 10%, 20%, 30%, 40%, 考虑5种大车比例下的车辆折算系数。

3.2 仿真及分析

上述几种情况有交互作用的可能, 如大车比例较低时, 流量较小的情况下, 可能大车对小车几乎不会产生影响, 但大车比例较高时, 流量较小时也会有所影响, 流量增加时, 影响可能更大。本次研究中对于上述各种情况, 分别对车道数为1条、2条、3条、4条, 每车道流量分别为200 v/h、500 v/h、1 100 v/h、1 300 v/h, 坡度分别为0、5%、-5%、9%、-9%以及大车比例分别为0%、10%、20%、30%、40%各种组合的交通场景进行仿真。对于车辆自由行使速度, 参考重庆市城市道路交通规划及道路设计规范, 小车的自由行驶速度为60 km/h, 公交车的自由行驶速度为45 km/h, 对于小汽车的最大加速度取为3.0 m/s2, 公交车的最大加速度为1.5 m/s2。考虑HCM2010给出的PCE的定义为:在特定道路状况、交通状况以及控制情况下, 相同的运行状况下一辆大车折合为标准车的数量[1]。文中对于不同坡度时标准车速度的计算选择的是该坡度情况下没有大车混入的标准车在当前道路及交通状况的行使速度。

通过在VISSIM仿真模型中设置检测器提取相关的参数, 使用论文分析的S-PCEi, j法对不同情况下的车辆折算系数进行分析, 结果如图3~图6所示。

对车道数而言, 从1车道到2车道, 各种情况下的车辆折算系数均出现增加的趋势, 从2车道到3车道, 系数均减小, 3车道和4车道的折算系数相差不大。对大车比例而言, 随着大车比例的增加, 车辆折算系数均呈现增加的趋势。对流量而言, 针对1车道和2车道, 随着流量的增加, 不同大车比例情况下的车辆折算系数开始随着流量的增加而增加, 到服务水平为c和d级时, 随着流量的增加, PCE出现了下降的情况;针对3车道和4车道的情况, 流量的变化对PCE的影响没有表现出显著的变化。对坡度而言, 针对不同坡度, 车辆在下坡时, PCE的值比上坡时大, 且坡度越大, 差异性越大。

4 结论

车辆折算系数的研究是对于非标准车标准化折算的过程, 该项研究在交通规划、道路设计、通行能力计算、服务水平评价等方面具有重要意义。论文以不同坡度、不同服务水平、不同车道数以及不同大车混入率下车辆速度的变化量为基础, 对车辆折算系数进行了研究, 为车辆折算系数提供了一种新的方法。研究对于不同坡度下的车辆加速度以及行使速度的确定需要进一步标定, 这也是下一步的研究方向。

参考文献

[1] Transportation Research Board.Highway capacity manual 2010.Washington D C:National Research Council, 2010

[2] Transportation Research Board.Highway capacity manual 1950.Washington D C:National Research Council, 1950

[3] Transportation Research Board.Highway capacity manual 1965.Washington D C:National Research Council, 1965

[4] Krammes R A.Effect of trucks on the capacity of level, basic freeway segments.Pennsylvania State University, University Park, Pa, 1985

[5] Webster N, Elefteriadou L.A simulation study of truck passenger car equivalents (PCE) on basic freeway segments.Transportation Research, 1999;33B (5) :323—336

[6] Al-Kaisy A F, Hall F L, Reisman E S.Developing passenger car equivalents for heavy vehicles on freeways during queue discharge flow.Transportation Research Part A.2002;36:725—742

[7] Ahmed U.Passenger car equivalent factors for level freeway segments operating under moderate and congested conditions.Wisconsin Marquette University, 2010

[8] 付强, 林航飞, 杨晓芳, 等.基于服务水平的车辆折算系数.同济大学学报 (自然科学版) , 2007;35 (1) :67—71Fu Q, Lin H F, Yang X F, et al.Passenger car equivalence research out of level of service consideration.Journal of Tongji University (Natural Science) , 2007;35 (1) :67—71

[9] 敖谷昌, 贾元华, 张惠玲.基于时间占有率分析的车辆折算系数研究.交通运输系统工程与信息, 2008;8 (3) :106—110Ao G C, Jia Y H, Zhang H L.Vehicle conversion factors based on the analysis of occupancy time.Journal of Transportation Systems Engineering and Information Technology, 2008;8 (3) :106—110

[10] Werner A, Morrall J F.Passenger car equivalencies of trucks, buses, and recreational vehicles for two-lane rural highways.Transportation Research Record, 1976;615:10—17

速度变化特征 篇9

1 导杆机构类型

连架杆中至少有一个构件为导杆的平面四杆机构称为导杆机构。根据导杆机构是否能做整周运动,分为摆动导杆机构和转动导杆机构。图1所示导杆机构中,杆4称为导杆,滑块3相对导杆滑动并一起绕A点转动,通常取杆2为原动件,当l1l2时,机架1不是最短杆,它的相邻构件导杆4只能绕机架摆动,称为摆动导杆机构。如图2所示为一摆动导杆机构,应用于牛头刨床中。

2 导杆机构急回特性分析

我们以摆动导杆机构为例分析急回特性。

2.1 ф <90°时摆动导杆机构的极位夹角

如图2所示为一摆动导杆机构,其中2为曲柄,3为滑块,4为摆杆,当曲柄BC绕B点做等速圆周运动时,摆杆AC绕A点来回摆动。在曲柄BC转一周的过程中,摇杆分别有两个极限位置C1A和C2A,当输出件摇杆位于两极限位置时,对应的输入件曲柄在两位置间所夹的锐角θ,称为极位夹角。下面我们来分析一下,当曲柄BC以等速顺时针从BC1转到BC2时,转过角φ1=180°-θ,摇杆C1A摆至C2A,摆过工作行程准角,所需时间为t1,C点的平均速度为v1=c1c2/t1,当曲柄继续转过φ2=180°+θ,摇杆C2A摆至C1A,摆过工作行程准角,所需时间为t2,C点的平均速度为v2=c1c2/t2,因为曲柄等速转动,φ1<φ2,所以t1v2,我们把这种性质叫做机构的急回特性。因θ+α=180°,准+α=180°,由此可以得出θ=准,因准角恒大于0,所以θ角也恒大于0,那么摆动导杆机构恒具有急回特性。

2.2 ф >90°时摆动导杆机构的极位夹角

图3所示为一个ф >90°时摆动导杆机构,根据教材中极位夹角的定义,摇杆位于两极限位置时,对应的输入件曲柄在两位置间所夹的锐角,此时应有θ=180°-ф 。但通常我们研究摆动导杆机构时把极位夹角的范围0°<θ<180°。此机构恒具有急回特性。机构急回特性的相对程度,用行程速度变化系数K来表示,有

3 图解法设计摆动导杆机构

四杆机构设计方法有图解法、实验法和解析法,我们分别讨论图解法和解析法设计导杆机构。图解法设计摆动导杆机构通常已知条件为:机架长度l4,行程速度变化系数K。

分析:由于θ与导杆摆角ф 相等,设计此机构时,仅需要确定曲柄长度l1。

设计步骤如图4所示:

(2)任选C作∠mDn=ф =θ,作角分线。

(3)取A点,使得AC=l1,则。

4 解析法设计摆动导杆机构

4.1 解析法设计摆动导杆机构

关于摆动导杆机构和转动导块机构,通常取转动导杆与机架呈垂直的两机构位置作为推程的起始(或终止)与终止(或起始)位置。有

摆动导杆机构的解析法设计与图解法设计有些相似,如图5所示为摆动导杆机构。

已知行程速比系数K和机架长度l1,试确定曲柄长度l2和导杆长度l4。

(1)由行程速比系数K,按下式计算出极位夹角

(2)由l2=l1sinθ/2计算出曲柄长度l1

(3)为保证机构在整周转动过程中,导杆4不与滑块3“滑脱”,须满足曲柄2与机架1呈拉直共线这一关键位置不“滑脱”,故有l4>l1+l2。

4.2 解析法设计转动导杆机构

如图1所示转动导杆机构,转动导杆机构的设计通常已知的行程速比系数和机架长度为K与l1,待定的主动曲柄长度为l4。按行程速比系数K设计转动导杆机构的具体步骤如下:

(1)由行程速比系数K,按下式计算出极位夹角

(2)按式l4=l1/sinθ/2计算出主动曲柄l4;

(3)为避免导杆与滑块“滑脱”,按l2>l1+l4计算出转动导杆机构的从动导杆(连杆)长度l2。

5 设计举例

设计一导杆机构,已知机架长度100mm,行程速比系数k=1.4,求曲柄长度。

5.1 设计摆动导杆机构

(1)由行程速比系数K,按下式计算出极位夹角:

(2)由下式计算出曲柄长度l2

(3)为保证机构在整周转动过程中,导杆4不与滑块3“滑脱”,须满足曲柄2与机架1呈拉直共线这一关键位置不“滑脱”,故有l4>l1+l2=125.9。

5.2 设计转动导杆机构

(1)由行程速比系数K,按下式计算出极位夹角:

(2)由下式计算出曲柄长度:

(3)为避免导杆与滑块“滑脱”,按l2>l1+l4计算出转动导杆机构的从动导杆(连杆)长度,得出l2>486.9mm。

摘要：通过分析摆动导杆机构急回特性,得出已知行程速度变化系数K,设计导杆机构图解法和解析法的设计方法,并举例说明。

关键词：急回特性,行程速比系数,解析设计

参考文献

[1]常永.按行程速比系数K设计转动导杆(导块)机构的解析法[J].机械科学与技术,2002(3):416-417.

[2]孙宝均.械设计基础[M].北京:机械工业出版社,2008.

[3]邓昭铭,张莹.机械设计基础[M].北京:高等教育出版社,2007.

碳酸盐岩纵波速度响应特征试验研究 篇10

由于碳酸盐岩纵波速度响应特征不明确,导致碳酸盐岩地层孔隙压力预测中遇到了以下三个问题:一是传统的地层压力预测模型是否可用?二是纵波速度相应差异的本质是什么?三是新的预测方法如何建立?本文通过室内试验对碳酸盐岩地层异常高压的地球物理和孔隙弹性响应特征的理论进行了验证,为建立碳酸盐岩地层孔隙压力预测新模型提供了依据[4]。

1 试验目的

1.1 纵波速度的特征

从试验角度验证岩石纵波速度由骨架速度和孔隙流体速度两部分组成。骨架速度决定了纵波速度的变化趋势。碳酸盐岩纵波速度的小幅波动值由孔隙流体速度决定,决定地层孔隙压力的大小。

1.2 纵波速度波动与地层孔隙压力间的关系

测试不同孔隙压力条件下,纵横波速度的变化规律,探寻碳酸盐岩纵波速度的小幅波动随地层孔隙压力的变化规律。

2 试验方案

2.1 测试纵波速度随围压增大的变化规律

轴压为5 MPa,孔压为0 MPa,露头岩石的围压从0到60 MPa;储层岩石的围压从0到100 MPa。

2.2 测试纵波速度随孔压增大的变化规律

①围压不变(露头60 MPa;储层70 MPa),轴压为5 MPa,露头岩石的孔压从0增加到40 MPa;储层岩石的孔压从0增加到90 MPa;孔压从0增加到10MPa用时10 h后每增加10 MPa分别用时6 h;②围压、轴压相同且不变(露头60 MPa;储层70 MPa),孔压:露头从0到50 MPa;储层从0到60 MPa。

2.3 测试纵波速度随轴压增大的变化规律

围压、孔压不变,露头岩心的轴压从0到60MPa;储层岩心的轴压从0到100 MPa。

3 纵波速度分解试验

本文选择塔中油田奥陶系储层和露头的裂缝型碳酸盐岩,露头孔隙型碳酸盐岩和志留系露头砂岩岩心,利用岩石力学试验设备,在不同孔压、围压和轴压条件下,测试了纵波速度,分析了纵波速度的响应特征规律。

3.1 试验设备

采用美国GCTS公司(Geotechnical Consulting&Testing Systems)的岩石三轴实验系统RTR—1500进行(图1),主要测量参数有:P波和S波波速、渗透率、声波孔隙度等。

3.2 试验材料

根据岩样选取层位的不同,分为露头和储层岩心;根据孔隙类型,分为孔隙型和裂缝型。由此选取了四种类型的岩样,分别是露头砂岩,孔隙型露头碳酸盐岩,裂缝型露头碳酸盐岩,裂缝型储层碳酸盐岩,如图2和图3所示。

对干岩石,先测试岩心的直径,长度和干岩石的纵波速度。利用排水法测试岩石的孔隙度,利用高温高压动态岩石三轴测试系统,在围压30 MPa,孔压20 MPa,轴压5 MPa的条件下测试饱和后岩石的渗透率。测试结果,如表1。

4 试验结果

4.1 轴压为5 MPa,无孔压条件下,纵波速度随围压增大的测试结果

轴压5 MPa,无孔压,纵波速度随围压增大的测试结果如图4。

由试验结果可以看出骨架纵波速度与孔隙压力的变化规律:①砂岩骨架纵波速度随孔隙压力变化率2.2%/10 MPa;②碳酸盐岩骨架纵波速度随孔隙压力变化率0.015%/10 MPa;③给定碳酸盐岩,孔隙压力引起碳酸盐岩骨架纵波速度的变化可以忽略。

4.2 围压一定,轴压为5 MPa,纵横波速度随孔压增大的测试结果

围压一定,轴压为5 MPa,纵波速度随孔压增大的测试结果如图5。

围压一定,轴压为5 MPa,横波速度随孔压增大的测试结果如图6。

由试验结果可以看出岩石纵波速度与孔隙压力的变化规律:①砂岩:低刚度骨架,孔隙压力增大,纵波速度减小;异常高压地层,纵波速度明显减小;②碳酸盐岩:高刚度骨架,孔隙压力增大,纵波速度小幅减小;异常高压地层,纵波速度小幅减小;③碳酸盐岩骨架纵波速度决定了纵波速度的趋势差异。

4.3 围压一定,孔压一定,纵波速度随轴压增大的测试结果

围压、孔压不变,纵波速度随轴压增大的测试结果如图7。

由试验结果可以看出在围压、孔压不变的情况下,纵波波速与轴压的变化规律:①砂岩的纵波波速随着轴压的增大而明显增大;②碳酸盐岩的纵波波速随着轴压的增大,小幅增大,趋势不是十分明显。

4.4 孔隙流体纵波速度与孔隙压力的变化规律

由于国内目前尚无能进行孔隙流体纵波波速与孔隙压力的变化规律的试验,笔者通过查阅相关文献,参考了李亚林等发表的岩石孔隙流体对纵横波速度影响的实验研究及意义[11],得到如图8所示。

通过分析可以得到:①地层孔隙压力变化幅值源于孔隙流体纵波速度的变化;②骨架比孔隙流体纵波速度大10倍,岩石纵波速度幅度变化小。

5 基于孔隙弹性力学理论的纵波速度方程

基于孔隙弹性力学理论,项目组人员建立了由骨架纵波速度和孔隙流体纵波速度组成的饱和岩石纵波速度方程[5],考虑不排水条件下的体积弹性模量的相关关系,建立了由岩石骨架和孔隙流体对纵波速度两部分的贡献组成的纵波速度方程即

式中:vP为岩石纵波速度;vP,dry为骨架纵波速度;Gfr为岩石骨架的剪切模量;φ为孔隙度;ρf为孔隙流体密度;ρs为岩石骨架颗粒密度;Kfr为骨架体积弹性模量;Kf为孔隙流体体积弹性模量;Ks为基质体积弹性模量;Δ为孔隙流体纵波速度[12]。

综合以上纵波波速方程与试验结果,可以明显看出孔隙弹性力学理论计算与实验结果一致,验证了碳酸盐岩骨架速度取决于岩石骨架特征,决定了纵波速度的变化趋势;异常高压条件下,低刚度骨架(砂岩、泥岩),骨架易变形;异常高压地层,纵波速度变化大;强刚度骨架(碳酸盐岩),骨架不易变形;异常高压地层,纵波速度变化小;条件相同,地层孔隙压力受骨架变形难易程度的控制[6—10]。

6 结论与建议

(1)通过试验角度验证了碳酸盐岩骨架速度取决于岩石骨架特征,决定了纵波速度的变化趋势;异常高压条件下,碳酸盐岩横波速度几乎不变,表明孔隙结构不变;而纵波速度存在小幅变化,表明纵波速度的小幅变化是由孔隙压力引起的。

(2)通过室内试验得到砂岩纵波速度增大的幅度明显大于碳酸盐岩,表明砂岩地层利用有效应力定理预测地层压力比碳酸盐岩地层精度更高

(3)从室内试验证明了碳酸盐岩纵波速度小幅波动与地层孔隙压力间的关系,为碳酸盐岩地层孔隙压力预测模型的建立提供试验依据。

参考文献

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