案例2  水箱定时翻转控制装置的设计与制作

苏佳、詹海涛和安吉三位同学确定合作设计制作一个能定时翻转的水箱装置。今天是星期六，大家约好在邢老师家讨论本设计的有关问题。

这是一个人们在现实生活中经常用到的装置，当水箱里的水达到一定的水位时就自动翻转，以驱动另一装置的运动或实现某种冲洗功能，它是一个开环的自动控制系统。它的工作原理并不复杂：将水箱设计成偏重心的悬吊状，水箱固定的位置由水箱翻转时的水位决定，翻转水位越高，重心偏离得就越多，当水箱的水容量达到一定的位置使水箱失去平衡时就会发生翻转。当进水的流量恒定时，这一装置是一个定时的开环自动控制系统。

当苏佳推门走进邢老师家的小院时，詹海涛和安吉正与邢老师热烈地讨论着。老师要求大家首先分析这一装置的设计机理，然后由每位学生分别提出解决设计和制作过程中问题的策略。詹海涛和安吉认为，在设计过程中，需要考虑的几个关键问题是：控制水箱定时翻转的有关因素有水箱的形状、水箱的支撑点、进水量大小，……；如何确定水箱悬吊的位置，应该偏离重心多少等。苏佳则认为水箱的形状、制作水箱的材料选择也是重要的。

邢老师基本赞同大家的分析和思考，同时提醒大家在后续设计和制作中，要考虑得更细致，应注意解决那些看似细节但又比较关键的问题，并在设计说明书中作详细记录。

苏佳与两位合作者讨论之后，画出了水箱翻转工作的示意图（如图1），并认为设计中一个比较困难的问题是水箱悬吊支撑点的选择，一种方法是用试验法，可在水箱的两个侧面分别装两条滑槽（如图2），与悬吊杆垂直固定的支撑轴可在滑槽内来回滑动，调节支撑轴在滑槽内的不同位置，就对应着不同的翻转水位，直到满足要求为止；还有一种方法是计算法，运用力学原理，比较精确地计算在某一固定水位水箱失去平衡时的支撑点位置。

他们构思并确定了设计方案，画出了设计草图，确定了使用的材料和工具，就在基本完成了设计和制作，对水箱的翻转装置进行测试的时候发现了一个至关重要的问题：偏重心悬吊使得水箱在进水前的初始状态是倾斜的，失去了平衡，致使它无法进行进水的正常工作。难题出现了，这是不是老师曾经提到了“看似细节但又比较关键的问题”？

经过查阅资料、观察其它装置中制动部件的实现，他们想出了若干种解决的办法(如图3)：

① 在水箱的直角边顶部与悬吊部位之间牵尼龙绳，以固定水箱在进水前的初始平衡状态；

② 在支撑轴上固定一根钢条，在水箱的内侧面某一位置固定一钉，以阻挡水箱向相反方向翻转；

③ 若水箱的直角边靠墙，则可在墙的某一位置固定两个三角支架，以托起水箱不向相反方向翻转；

……

由此，三位同学进一步总结出了水箱翻转的工作过程是：不平衡→平衡→不平衡（翻转）的循环往复状态。

经过测试，该装置基本上符合了定时翻转的设计要求。

苏佳、詹海涛和安吉分别在设计制作的活动报告中记录下了他们在设计制作过程中各自的感受和收获，并根据邢老师的建议，总结和评价了自己在设计制作过程中对难点问题解决的思考和策略。