|
|
|
| Межотраслевая Интернет-система поиска и синтеза физических принципов действия преобразователей энергии | |
Стартовая страница |
О системе |
Технические требования |
Синтез |
Обучающий модуль |
Справка по системе |
Контакты |
 | Гироскопический эффект |
 | |
Анимация
0
Описание
Гироскопическим эффектом называется явление сохранения неизменности своего направления в пространстве быстровращающимся осесимметричным твердым телом.
Гироскопический эффект свойственен небесным телам, артиллерийским снарядам, роторам турбин, устанавливаемых на судах, винтам самолетов и т.п.
Для обеспечение свободного вращения гироскопического тела (гироскопа) в пространстве его обычно закрепляют на кольцах так называемого карданного подвеса (рис. 1) в котором оси внутренних и внешних колец и ось гироскопа пересекаются в одной точке, называемой центром подвеса.
Классический карданов подвес
Рис. 1
Обозначения:
а - внешнее кольцо;
б - внутреннее кольцо;
в - ротор.
Закрепленный в таком подвесе гироскоп имеет 3 степени свободы и может совершать любой поворот около центра подвеса. Если центр тяжести гироскопа совпадает с центром подвеса, гироскоп называют уравновешенным, или астатическим. Изучение законов движения гироскопа - задача динамики твердого тела.
Если к оси быстровращающегося свободного гироскопа приложить пару сил (Р-Р) с моментом М = Ph (h - плечо силы) (рис. 2), то (против ожидания) гироскоп начнет дополнительно поворачиваться не вокруг оси х, перпендикулярной к плоскости пары, а вокруг оси у, лежащей в этой плоскости и перпендикулярной к собственной оси тела z.
Прецессия гироскопа
Рис. 2
Обозначения:
угловая скорость прецессии w направлена так, что вектор собственного кинетического момента Н стремится к совмещению с вектором момента М пары, действующей на гироскоп.
Это дополнительное движение называют прецессией. Прецессия гироскопа будет происходить по отношению к инерциальной системе отсчета (к осям, направленным на неподвижные звезды) с угловой скоростью:
w = M /I·W, (1)
где I - момент инерции гироскопа относительно оси z;
W - угловая скорость собственного вращения относительно той же оси.
Величина H = I·W называется собственным кинетическим моментом (или моментом количества движения) гироскопа. Направление w определяется так, как показано на (рис. 2). Из формулы (1) ясно, что прецессия происходит тем медленнее, чем больше W; на практике величина w бывает в миллионы раз меньше, чем W.
Ключевые слова
Разделы наук
Применение эффекта
Применяемые в технике гироскопы выполняют обычно в виде маховичка с утолщенным ободом, имеющего массу от нескольких граммов до десятков килограммов и закрепленного в кардановом подвесе. Чтобы сообщить гироскопу быстрое вращение, его делают ротором быстроходного электромотора постоянного или переменного тока. В авиации применяются гироскопы с ротором в виде воздушной турбинки, приводимой в движение струей воздуха. Иногда гироскопы выполняют в форме шара (шар-гироскоп) с подвесом на воздушной пленке, образуемой потоком сжатого воздуха; воздушные (газовые) опоры могут также применяться в осях подвеса ротора и кардановых колец.
В ряде устройств используют поплавковый гироскоп, ротор которого заключен в кожух, плавающий в жидкости; этим разгружаются подшипники кожуха и значительно уменьшается момент сил трения в них. Кроме того, гироскопы с жидкостными или поплавковыми подвесами мало подвержены случайным вибрациям, что повышает их точность. Используются также гироскопы с магнитными и электростатическими подвесами.
В технике применяется много различных гироскопических устройств, или приборов, основанных на использовании тех или иных свойств гироскопа с тремя или двумя степенями свободы. В них в качестве основных элементов входят один или несколько гироскопов, а также некоторые вспомогательные приспособления для корректирования направления оси гироскопа или измерения углов ее отклонения и т.д. Эти устройства применяют в авиации, морском флоте, ракетной и космической технике и народном хозяйстве для решения разнообразных навигационных задач, для управления подвижными объектами, их стабилизации, а также при проведении некоторых специальных работ (маркшейдерских, топографических и геодезических и др.).
Важнейшими навигационными устройствами являются гирокомпас и гировертикант (гирогоризонт). В ракетной технике часто последние два прибора связывают в жесткую конструкцию (т.н. гиростабилизированную платформу) сохраняющую тем самым ориентацию в пространстве. Гирокомпас, указывающий направление истинного (географического) меридиана, предназначается для определения курса движущегося объекта, а также азимута ориентируемого направления; его важным преимуществом перед магнитным компасом состоят в том, что он указывает истинный, а не магнитный меридиан, и что на его показания не влияют перемещающиеся металлические массы и электромагнитные поля.
Гировертикант определяет направление истинной вертикали или плоскости горизонта, а также отклонения движущегося объекта от этой плоскости (углы бортовой или килевой качки корабля, углы тангажа и крена летательного аппарата). К навигационным устройствам также относятся: гироскопы направления, определяющие углы отклонения в горизонтальной плоскости объекта от заданного направления (углы рыскания летательного аппарата или корабля), в частности, авиационный указатель поворота; гиромагнитные компасы, определяющие магнитный курс объекта; гирошироты, которые служат для определения широты места; инерциальные навигационные системы, предназначенные для определения целого ряда параметров, необходимых для навигации данного объекта без использования внешних сигналов; гироорбитанты, определяющие углы рыскания ИСЗ; автопилоты и гирорулевые, обеспечивающие автоматическое управление соответствующим полетом летательного аппарата или курсом корабля, и др.
Большое число устройств, называющихся гиростабилизаторами, служит для стабилизации объекта или отдельных приборов и устройств, а также для определения угловых отклонений объекта. Они применяются для автоматического управления движением самолетов, судов, торпед, ракет, для уменьшения качки судов и др. целей. Различают системы индикаторной и силовой стабилизации. Индикаторная система содержит в качестве индикатора гироскоп, регистрирующий отклонение объекта от заданного курса, и следящую систему, которая улавливает сигнал об отклонении, усиливает его и передает силовому устройству (мотору), возвращающему объект на заданный курс, обычно с помощью рулей. В силовой системе стабилизация непосредственно осуществляется массивным гироскопом.
Ряд гироскопических устройств, в которых используются т.н. дифференцирующие и интегрирующие гироскопы, служит для определения угловой скорости объекта (гиротахометры) или его угловых ускорений (гироакселерометры) и углов поворота, а также линейных скоростей объекта. К последним относится гироскопический интегратор ускорений, позволяющий определить в любой момент времени скорость ракеты при ее ускоренном движении на начальном участке траектории.
Современная техника требует от многих гироскопических устройств очень высокой скорости, что вызывает большие технологические трудности при их изготовлении. Например, у некоторых приборов при массе ротора порядка 1 кг для обеспечения нужной точности смещения центра тяжести от центра подвеса не должны превышать долей микрона, иначе момент силы тяжести вызовет нежелательную прецессию (уход) оси гироскопа. Кроме того, на точность показаний приборов с гироскопом в кардановом подвесе влияет трение в осях. Все это привело к разработке гироскопов, основанных на других физических принципах. Например, для определения угловой объекта может применяться вибрационный гироскоп, содержащий в качестве чувствительного элемента не вращающийся ротор, а вибрирующие детали, или лазерный гироскоп, в котором используется квантовый генератор.
Пример. Шар-гироскоп на пневмоподвесе (рис. 3).
Шар-гироскоп на пневмоподвесе
Рис. 3
Обозначения:
1 - стальной ротор;
2 - статор, создающий вращающее магнитное поле;
3 - датчик посредством сигналов которого производится "слежение" за осью шара на качающемся основании (корабле);
4 - бронзовая чаша, отделенная от шара воздушным слоем толщиной порядка сотых долей мм;
5 - подача сжатого воздуха для поддержки шара-гироскопа.
Реализации эффекта
Простейшая техническая реализация:
1 - Отвернуть от дорожного велосипеда переднее колесо.
2 - Держа двумя руками за концы оси, как следует раскрутить его.
3 - Отпустить одну из рук. При этом колесо не упадет, а начнет прецессировать.
Литература
1. Физическая энциклопедия. - М.: Большая Российская энциклопедия, 1998. - Т. 2. - C. 76-77. - T.5. - C. 98-98.
| Стартовая страница О системе Технические требования Синтез Обучающий модуль Справка по системе Контакты | |
 |
|
| Copyright © 2008 РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина | |
