Гироскоп

УПРАВЛЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ АДМИНИСТРАЦИИ МУНИЦИПАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ГОРОДСКОГО ОКРУГА «УСИНСК»

«УСИНСК» КАР КЫТШЫН МУНИЦИПАЛЬНÖЙ ЮНКÖНЛÖН АДМИНИСТРАЦИЯСА

ЙÖЗÖС ВЕЛÖДÖМÖН ВЕСЬКÖДЛАНIН

МУНИЦИПАЛЬНОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

 «СРЕДНЯЯ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ШКОЛА № 2» Г. УСИНСКА

«2 №-А ШÖР ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНÖЙ ШКОЛА» МУНИЦИПАЛЬНÖЙ БЮДЖЕТНÖЙ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНÖЙ ВЕЛÖДАНIН УСИНСК КАР

Гироскоп

(физика)

Исполнитель:

Мельник Игорь

учащийся 11 а класса

Научный руководитель:

Баранова С.А.

учитель физики и математики

МБОУ «СОШ № 2»

г. Усинска

Секция: физика

Усинск

2016 г.

Содержание

1.  Меня зовут Мельник Игорь. Я ученик 11 класса школы №2. Тема моей исследовательской работы  - Гироскоп.

Будучи еще маленьким, я играл с волчками.

Но тогда я не задумывался, как они удерживают равновесие. Спустя несколько лет мой отец показал мне видео, на котором был не просто волчок, а какой-то научный прибор. Я узнал его название – гироскоп. Но как он работает? Почему мы его не видим или не замечаем в реальной жизни?

Оказывается, не только в технике, но и во  многих видах спорта возникают гироскопические эффекты, например, при вращении в фигурном катании или езде на велосипеде, метании дисков, гироскопическом тренажере и многом другом. Гироскопические эффекты заключаются в том, что тело стремится сохранить свою ось вращения, и при воздействии момента внешней силы вокруг оси, перпендикулярной оси вращения ротора, тело начинает поворачиваться вокруг оси прецессии.

Я поставил перед собой цель:

Узнать принцип действия гироскопа и изготовить его своими руками.

Задачи:

• Собрать научный теоретический материал о гироскопе
• Изучить строение и принципы работы простейших гироскопов
•  Узнать область применения гироскопов

 Методы исследования:

• Изучение теоретических материалов
• Проведение опытов
• Наблюдение
• Анализ

2. Гироскоп был изобретен французским физиком Жаном Бернаром Леоном Фуко в начале 19 века.

Гироскоп (от др. греч. «вращение» и «смотреть») — это массивное тело, быстро вращающееся вокруг одной из своих главных осей инерции, способное измерять изменение углов ориентации связанного с ним тела относительно инерциальной системы координат.

Принцип действия гироскопов основан на фундаментальном законе сохранения угловых моментов (законе сохранения момента импульса): «Если результирующий момент всех внешних сил относительно неподвижной оси вращения тела равен нулю, то момент импульса относительно этой оси не изменяется со временем».

Одним из основополагающих понятий устройства и работы гироскопа является прецессия – это изменение вектора  момента количества движения гироскопа в результате воздействия на него внешних сил.

Главное свойство прецессии — безынерционность: как только сила, вызывающая прецессию, пропадёт, прецессия прекратится.

Если принять, что направление вектора момента количества движения совпадает с направлением оси вращения гироскопа, то прецессию можно наблюдать, если следить за осью гироскопа.

При свободном движении тела ось вращения не сохраняет своё положение в пространстве. А оси свободного вращения, положение которых сохраняется во время вращения тела (например, ось симметрии), называются свободными осями. Для каждого тела можно отыскать три взаимно-перпендикулярные оси, проходящие через его центр инерции и являющиеся свободными осями – это главные оси инерции тела.

Устойчивое вращение тела происходит только вокруг главных осей с экстремальными значениями инерции.

Одна из главных осей симметрии диска совпадает с осью инерции тела. Две другие главные оси тела лежат в плоскости, перпендикулярной оси симметрии и при любом занимаемом положении остаются взаимно перпендикулярными друг другу.

Исходя из вышесказанного, можно дать следующее определение гироскопа:

гироскоп (волчок) – это массивное симметричное тело, вращающееся с большой скоростью вокруг оси симметрии (оси гироскопа).

Таким образом, основное свойство гироскопа заключается в сохранении неизменной оси вращения при равенстве нулю момента внешних сил.

3 Устройство гироскопа

 Изучение законов движения гироскопа - задача динамики твёрдого тела.

 Основные свойства гироскопа. Если к оси быстро вращающегося свободного гироскопа приложить пару сил (P - F) с моментом  (h - плечо силы) (рис. 2), то (против ожидания) гироскоп начнёт 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. Это дополнительное  движение называется прецессией. Прецессия гироскопа будет происходить по отношению к инерциалъной системе отсчета (к осям, направленным на неподвижные звёзды) с угловой скоростью

где  I - момент инерции гироскопа относительно оси z, - угловая скорость собственного вращения гироскопа относительно той же оси. Величина называется  собственным кинетическим моментом (или моментом количества движения) гироскопа. Направление  определяется так, как показано на рис. 2. Из формулы (1) ясно, что прецессия происходит тем медленнее, чем больше ; на практике величинабывает в миллионы раз меньше .

При более подробном рассмотрении оказывается, что собственное вращение и прецессия симметричного гироскопа  могут сопровождаться нутациями - быстрыми коническими движениями оси гироскопа относительно изменяющегося по закону (1) направления (рис. 3). Угол конуса нутации , как правило, бывает очень мал. Кроме того, из-за наличия неизбежных сопротивлений нутации обычно быстро затухают. Всё это позволяет при решении большинства технических  задач учитывать только прецессию гироскопа, что и приводит к элементарной, или прецессионной, теории гироскопических явлений, основным соотношением которой является формула (1). В более общем случае, когда угол а между осями собственного вращения и прецессии оказывается не равным 90°, эта формула принимает вид

При изучении поведения гироскопа по отношению к подвижному основанию в выражение для M должны входить и моменты сил инерции переносного движения.

Важным свойством свободного гироскопа устойчиво сохранять направление своей оси пользуются в устройствах, применяемых для автоматического управления движением самолётов, ракет и т. п., а также в ряде навигационных  и других  приборов.

4.Классификация гироскопов

По принципу действия:

• механические гироскопы,
• оптические гироскопы.

По режиму действия:

• датчики угловой скорости,
• указатели направления.

Изготовление и проверка работы гироскопа

Для изготовления гироскопа мне понадобилось:

1) Металлическая ось и ротор, которые я взял, разобрав старый видеомагнитофон;

2) Массивное кольцо, которое нашел среди металлолома в гараже;

3) Пластилин, который удобно использовать для равномерного распределения веса между кольцом и ротором;

4) Орг. стекло, из которого были вырезаны два диска лобзиком. Один - для закрепления внешнего кольца, второй  – для более удобного положения нити;

5) Толстая нить – для раскрутки ротора;

6) Пружина для закрепления положения ротора на оси;

7) Корпус из алюминиевой трубки;

8) Паяльник;

9) Точка опоры;

10) Желание творить.

Я изготовил гироскоп  и проверил его в действии. Модель рабочая, хорошо удерживает равновесие практически на любой поверхности

5. Применение гироскопов 

Гироскоп чаще всего применяется как чувствительный элемент указывающих гироскопических приборов и как датчик угла поворота или угловой скорости для устройств автоматического управления. В некоторых случаях, например в гиростабилизаторах, гироскопы используются как генераторы момента силы или энергии.  

Основные области применения – судоходство, авиация и космонавтика. Почти каждое морское судно дальнего плавания снабжено гирокомпасом для ручного или автоматического управления судном. 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.

        6.Заключение

Был когда-то волчок лишь детской игрушкой.

Потом стал научным прибором.

Начал служить на море и на суше.

Наконец поднялся за облака.  

А теперь уже и в космос  летает.

Я полностью справился с поставленными перед собой задачами: изготовил гироскоп и проверил его в действии. Теоретической базы изученного материала мне оказалось достаточно.  Прибор готов для демонстрации и развития интереса к физике у учащихся.

Считаю, что можно продолжить исследовать разные виды гироскопов, изучать их устройства и заниматься сборкой. Это увлекательно, интересно, так как видов гироскопа очень много.

7.Литература

1. Булгаков Б. В., Прикладная теория гироскопов, 3 изд., M., 1976;
2. Николаи E. Л., Гироскоп в кардановом подвесе, 2 изд., M., 1964;
3. Малеев П. И., Новые типы гироскопов, Л., 1971;
4. Ишлинский А. Ю, Ориентация, гироскопы и инерциальная навигация, M., 1976;
5. Климов Д. M., Харламов С. А., Динамика гироскопа в кардановом подвесе, M., 1978; Журавлев В. Ф., Климов Д. M., Волновой твердотельный гироскоп, M., 1985;
6. Новиков Л. 3., Шаталов M. Ю., Механика динамически настраиваемых гироскопов, M., 1985.

Интернет- ресурсы

1. http://ru.wikipedia.org
2. http://www.google.ru
3. http://nglib.ru
4. http://ngpedia.ru
5. http://easyen.ru СОВРЕМЕННЫЙ    У ЧИТЕЛЬСКИЙ   ПОРТАЛ