Применение гироскопов в технике

Свойства гироскопа используются в приборах — гироскопах, основной частью которых является быстро вращающийся ротор, который имеет несколько степеней свободы (осей возможного вращения). Чаще всего используются гироскопы, помещённые в карданов подвес. Такие гироскопы имеют 3 степени свободы, то есть он может совершать 3 независимых поворота вокруг осей АА', BB' и CC', пересекающихся в центре подвеса О, который остаётся по отношению к основанию A неподвижным.

Гироскопы, у которых центр масс совпадает с центром подвеса O, называются астатическими, в противном случае - статическими гироскопами. Для обеспечения вращения ротора гироскопа с высокой скоростью применяются специальные гиромоторы. Для управления гироскопом и снятия с него информации используются датчики угла и датчики момента. Гироскопы используются в виде компонентов как в системах навигации (авиагоризонт, гирокомпас, инерциальная навигация и т. п.), так и в нереактивных системах ориентации и стабилизации космических аппаратов.

 

 

Упрощённо, поведение гироскопа описывается уравнением:

где векторы и являются, соответственно, моментом силы, действующей на гироскоп, и его моментом импульса, скаляр — его моментом инерции, векторы и угловой скоростью и угловым ускорением.

Отсюда следует, что 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.

Б)прецессия и нутация

Прецессия

Прецессия — явление, при котором момент импульса тела меняет своё направление в пространстве под действием момента внешней силы

Наблюдать прецессию достаточно просто. Нужно запустить волчок и подождать, пока он начнёт замедляться. Первоначально ось вращения волчка вертикальна. Затем его верхняя точка постепенно опускается и движется по расходящейся спирали. Это и есть прецессия оси волчка.

Главное свойство прецессии — безинерционность: как только сила, вызывающая прецессию волчка, пропадёт, прецессия прекратится, а волчок займёт неподвижное положение в пространстве.

Можно получить эффект прецессии, не дожидаясь замедления вращения волчка: толкните его ось (приложите силу) — начнётся прецессия. С прецессией напрямую связан другой эффект, также показанный на иллюстрации — это нутация — колебательные движения оси прецессирующего тела. Скорость прецессии и амплитуда нутации связаны со скоростью вращения тела (изменяя параметры прецессии и нутации в случае, если есть возможность приложить силу к оси вращающегося тела, можно изменить скорость его вращения).

В основе объяснения явления прецессии лежит экспериментально подтверждаемый факт, что скорость изменения момента импульса вращающегося тела прямо пропорциональна величине приложенного к телу момента силы :

Нутация

Нута́ция (от лат. nūtāre — колебаться) — слабое нерегулярное движение вращающегося твёрдого тела, совершающего прецессию. Напоминает «подрагивание» оси вращения и заключается в слабом изменении так называемого угла нутации между осями собственного и прецессионного вращения тела.

Чистая нутация — это такое движение оси вращения, при котором первый угол Эйлера остаётся постоянным. В случае асимметрического волчка описывается траекториями мгновенной угловой скорости волчка (полодия и герполодия ^[1][2])

В астрономии нутацией называют небольшие колебания земной оси, накладывающиеся на прецессионное движение. Это явление открыто в 1728 годуДжеймсом Бредли. Вследствие нутации изменяются наклон эклиптики к экватору, а также экваториальные координаты небесных светил.

Рассмотрим для определенности наиболее характерную ситуацию, когда мы сначала, во время раскручивания волчка, удерживаем его от падения за верхний конец наклоненной оси. Для этого мы должны к верхнему концу оси приложить силу, направленную вертикально вверх. Момент этой силы относительно точки опоры компенсирует момент силы тяжести. Если бы мы отпустили верхний конец оси до того, как привели волчок во вращение, ось стала бы просто падать вниз, ускоренно поворачиваясь вокруг точки опоры в вертикальной плоскости. Но как будет вести себя волчок, если мы отпускаем ось после того, как раскрутили его? Очевидно, что в этом случае в начальный момент вектор момента импульса L направлен вдоль оси волчка. Как только мы отпускаем ось, появляется момент силы тяжести, и под действием этого момента вектор L, в соответствии с уравнением (1), начинает изменяться, стремясь двигаться по конусу так, как это происходит при регулярной прецессии. Но если прецессия вектора L вокруг вертикали с угловой скоростью ωпр начинается сразу, безинерционно, то ось волчка, как и находящийся на ней центр масс, в начальный момент еще неподвижны, т.е. их начальная скорость равна нулю. Исходя из таких начальных условий, попробуем представить себе дальнейшее движение волчка как суперпозицию вынужденной прецессии и нутации

3)гироскопические силы

ГИРОСКОПИЧЕСКИЕ СИЛЫ - силы, зависящие от скоростей и обладающие тем свойством, что сумма их работ (или мощностей) при любом перемещении системы, на к-рую действуют эти силы, равна нулю. Если

- Г. с., то для них

где - радиусы-векторы точек приложения сил, - скорости этих точек. Назв. "Г. с." появилось в связи с тем, что такие силы встречаются в теории гироскопа.Хотя Г. с., как зависящие от скоростей, не являются потенциальными, но на систему, на которую кроме потенциальных сил действуют ещё и Г. с., тоже распространяется закон сохранения механической энергии (см. Силовое поле).

Примерами Г. с. являются Кориолиса сила инерции материальной точки с массой m, движущейся со скоростью по отношению к подвижной (неинерциальной) системе отсчёта ( - угловая скорость этой системы отсчёта), и Лоренца сила , действующая на заряж. частицу с зарядом е, движущуюся со скоростью v в магн. поле ( -магн. индукция, с - скорость света). Каждая из этих сил направлена перпендикулярно скорости, поэтому их работа или мощность при любом перемещении точки (частицы) равна нулю.

Обратимся к простому опыту: возьмем в руки вал АВ с насаженным на него колесом С (рис. 98). Пока колесо не раскручено, не представляет никакого труда поворачивать вал в пространстве произвольным образом. Но если колесо раскручено, то попытки повернуть вал, например, в горизонтальной плоскости с небольшой угловой скоростью приводят к интересному эффекту: вал стремится вырваться из рук и повернуться в вертикальной плоскости; он действует на кисти рук с определенными силами и (рис. 98). Требуется приложить ощутимое физическое усилие, чтобы удержать вал с вращающимся колесом в горизонтальной плоскости.

Рис. 98

 

Рассмотрим эффекты, возникающие при вынужденном вращении оси гироскопа, более подробно. Пусть ось гироскопа будет укреплена в U-образной раме, которая может поворачиваться вокруг вертикальной оси OO' (рис. 99). Такой гироскоп обычно называют несвободным - его ось лежит в горизонтальной плоскости и выйти из нее не может.

Рис. 99

 

Раскрутим гироскоп вокруг его вокруг его оси симметрии до большой угловой скорости (момент импульса L) и станем поворачивать раму с укрепленным в ней гироскопом вокруг вертикальной оси OO' с некоторой угловой скоростью как показано на рис. 99. Момент импульса L, получит при этом приращение которое должно быть обеспечено моментом сил M, приложенным к оси гироскопа. Момент M, в свою очередь, создан парой сил возникающих при вынужденном повороте оси гироскопа и действующих на ось со стороны рамы. По третьему закону Ньютона ось действует на раму с силами (рис. 99). Эти силы называются гироскопическими; они создают гироскопический момент . Появление гироскопических сил называют гироскопическим эффектом. Именно эти гироскопические силы мы и чувствуем, пытаясь повернуть ось вращающегося колеса (рис.98).

Гироскопический момент нетрудно рассчитать. Положим, согласно элементарной теории, что

(16)

где - момент инерции гироскопа относительно его оси симметрии, а - угловая скорость собственного вращения. Тогда момент внешних сил, действующих на ось, будет равен

(17)

где - угловая скорость вынужденного поворота (иногда говорят: вынужденной прецессии). Со стороны оси на подшипники действует противоположный момент

(18)

Таким образом, вал гироскопа, изображенного на рис. 99, будет прижиматься кверху в подшипнике В и оказывать давление на нижнюю часть подшипника А.

Направление гироскопических сил можно легко найти с помощью правила, сформулированного Н.Е. Жуковским: гироскопические силы стремятся совместить момент импульса L гироскопа с направлением угловой скорости вынужденного поворота. Это правило можно наглядно продемонстрировать с помощью устройства, представленного на рис. 100.

Рис. 100

 

Ось гироскопа закреплена в кольце, которое может свободно поворачиваться в обойме. Приведем обойму во вращение вокруг вертикальной оси с угловой скоростью (вынужденный поворот), и кольцо с гироскопом будет поворачиваться в обойме до тех пор, пока направления L и не совпадут. Такой эффект лежит в основе известного магнитомеханического явления - намагничивания железного стержня при его вращении вокруг собственной оси - при этом спины электронов выстраиваются вдоль оси стержня (опыт Барнетта).

Гироскопические усилия испытывают подшипники осей быстро вращающихся частей машины при повороте самой машины (турбины на корабле, винта на самолете и т.д.). При значительных величинах угловой скорости вынужденной прецессии и собственного вращения а также больших размерах маховика эти силы могут даже разрушить подшипники. Рассмотрим некоторые примеры проявления гироскопических сил.