Самодельный гироскоп

Самодельный
гироскоп
Подготовила:
Дюндикова Анастасия,
ДОШ I-III ступеней №20,
11-Б класс
Руководитель:
Скляр Лариса Анатольевна
Цели работы
• Целью моей работы было :
- Изучить проявление законов Ньютона в
механических устройствах;
- Познакомиться с конструкцией,
принципом работы, историей создания
гироскопа;
- Изготовить гироскоп своими руками из
подручных средств.
Исаак Ньютон
•
•
Английский физик, математик,
механик и астроном, один из
создателей классической физики.
Автор фундаментального труда
«Математические начала
натуральной философии», в
котором он изложил закон
всемирного тяготения и три закона
механики, ставшие основой
классической механики. Разработал
дифференциальное и интегральное
исчисления, теорию цвета и многие
другие математические и
физические теории.
Гироскоп в работах Ньютона не
встречается, он был изобретен
Иоганном Боненбергером в 1817
году, но в основе работы гироскопа
лежат законы Ньютона.
Определение
гироскопа
• Термин “гироскоп” получен от греческих слов
“гирос” - вращение и “скопео” - наблюдаю. В
настоящее время этот термин применяется
для обозначения приборов, в которых
используются гироскопические явления.
Наиболее широкое применение получили
гироскопические приборы на базе
быстровращающегося симметричного
гироскопа.
Схема гироскопа
•
•
Гироскопом называют
быстровращающееся симметричное тело,
одна из точек которого (точка О)
неподвижна, помещённое в специальном
подвесе. На данном рисунке
рассматривается карданов подвес,
состоящий из двух рамок: наружной – 2 и
внутренней-3.
Ротор гироскопа - 1 может вращаться
относительно оси ОZ внутренней рамы,
вместе с внутренней рамой - 3 он может
вращаться относительно наружной рамы-2
по оси ОХ, а все вместе: ротор - 1, рамка 2 и рамка - 3 могут вращаться
относительно корпуса прибора - 4 по оси
ОУ. Таким образом мы сообщили ротору-1
три степени свободы, и такой гироскоп
называется трёхстепенным
Использование законов
Ньютона в гироскопе
• При воздействии момента внешней силы вокруг оси,
перпендикулярной оси вращения ротора, гироскоп начинает
поворачиваться вокруг оси прецессии, которая перпендикулярна
моменту внешних сил.
• Поведение гироскопа в инерциальной системе отсчёта
описывается, согласно следствию второго закона Ньютона,
уравнением:
•
где векторы
и
являются,
соответственно, моментом силы, действующей на гироскоп, и
его моментом импульса.
• Изменение вектора момента импульса под действием момента
силы возможно не только по величине, но и по направлению. В
частности, момент силы
, приложенный перпендикулярно оси
вращения гироскопа, то есть перпендикулярный , приводит к
движению, перпендикулярному как
, так и , то есть к
явлению прецессии. Угловая скорость прецессии
гироскопа
определяется его моментом импульса и моментом приложенной
силы:
• то есть
обратно пропорциональна скорости вращения
гироскопа. Одновременно с возникновением прецессии,
согласно следствию третьего закона Ньютона, гироскоп начнёт
действовать на окружающие его тела моментом реакции,
равным по величине и противоположным по направлению
моменту
, приложенному к гироскопу. Этот момент реакции
называется гироскопическим моментом.
• То же движение гироскопа можно трактовать иначе, если
воспользоваться неинерциальной системой отсчёта, связанной с
кожухом ротора, и ввести в ней фиктивную силу инерции — так
называемую кориолисову силу. Так, при воздействии момента
внешней силы гироскоп поначалу будет вращаться именно в
направлении действия внешнего момента (нутационный бросок).
Каждая частица гироскопа будет таким образом двигаться с
переносной угловой скоростью вращения вследствие действия
этого момента. Но ротор гироскопа, помимо этого, и сам
вращается, поэтому каждая частица будет иметь относительную
скорость. В результате возникает кориолисова сила, которая
заставляет гироскоп двигаться в перпендикулярном
приложенному моменту направлении, то есть прецессировать.
Принцип работы
• Роторный гироскоп — это твёрдое тело,
которое быстро вращается и ось
которого способна изменять ориентацию
в пространстве. Скорость вращения
гироскопа при этом существенно
превышает скорость поворота оси его
вращения. Основным свойством данного
гироскопа является способность
сохранения в пространстве неизменного
направления оси вращения при
отсутствии какого-либо воздействия на
неё внешних сил. Основная часть
роторного гироскопа — быстровращающийся ротор, имеющий
несколько степеней свободы (осей
возможного вращения).
Изготовление
самодельного гироскопа
• В качестве маховика
использовали
колесо от детской
игрушечной коляски.
• Ось из стального
прута-18 см.
• Рамки сделаны из
клееной фанеры21х18 и 26,5х20 см
• В качестве крепежей
использовали
болты.
Этапы изготовления
• Ось поместили в центр маховика. Затем
подвижно закрепили болтами на
внутренней раме.
• Внутренняя рама подвижно соединена с
внешней рамой, которая так же подвижно
соединена с основанием гироскопа
Применение
гироскопа
•
•
•
•
Гироскоп чаще всего применяется как чувствительный элемент указывающих
гироскопических приборов и как датчик угла поворота или угловой скорости для
устройств автоматического управления.
Почти каждое морское судно снабжено гирокомпасом или гиростабилизаторами.
В системах управления огнем корабельной артиллерии много дополнительных
гироскопов, обеспечивающих стабильную систему отсчета или измеряющих
угловые скорости. Без гироскопов невозможно автоматическое управление
торпедами. Самолеты и вертолеты оборудуются гироскопическими приборами,
которые дают надежную информацию для систем стабилизации и навигации. К
таким приборам относятся авиагоризонт, гировертикаль, гироскопический
указатель крена и поворота. В военной авиации гироскопы применяются также в
прицелах воздушной стрельбы и бомбометания.
Гироскоп применяется в мобильных устройствах и игровых приставках.
Существуют игрушки на основе гироскопа. Самыми банальными примерами
являются йо-йо и волчок или «юла». Волчки же отличаются от гироскопов тем,
что не имеют ни одной неподвижной точки.
Гироскопы .