Гироскопы. Прецессия гироскопа. Гироскопические силы. Потяние о нутационнм движении гироскопа

Гироскоп – массивное аксиально-симметричное тело, вращающееся с большой угловой скоростью вокруг оси симметрии.

Если гироскоп раскручен вокруг оси симметрии, то L=Jw=const и направление оси симметрии остаётся неизменным.

Прецессия гироскопа.(к оси гир. приложена сила, линия действия которой не проходит через точку закрепления).

Ось гироскопа перемещается не в направлении сил, а перпендикулярно к ней.

Элементарная теория гир.(мгн. угловая скорость вращения и мом. импульса направлены вдоль оси симметрии, w>>W).

Мом. импульса: L=J_zw (J_z – мом. ин. относительно оси симметрии)

Рассмотрим гир, у которого точка опоры S не совпадает с центром масс О.

Мом силы тяжести: M=mglsinq, где q - угол между вертикалью и осью симметрии.

dL=M*dt, при этом и ось и L прецессируют вокруг вертикали с угл скоростью W.

dL=L sinq W dt dL= WxL dt M=WxL

Для силы тяжести:

mgl sinq = WJ_zw sinq

угл скорость прецессии W=mgl/ J_zw.

Если сообщить гироскопу толчок, изменяющий угол q, то прецессия перестанет быть равномерной (часто говорят: регулярной), а будет сопровождаться мелкими колебаниями вершины гироскопа – нутациями. Вектор момента импульса L описывает неподвижный в пространстве конус прецессии, и при этом ось симметрии гороскопа движется вокруг вектора L по поверхности конуса нутации. Вершина конуса нутации, как и вершина конуса прецессии, находится в точке закрепления гироскопа, а ось конуса нутации совпадает по направлению с L и движется вместе с ним. Угловая скорость нутации определяется выражением

w_нут=L/J_s@J_zw/J_s

где J_z и J_s - моменты инерции гироскопа относительно его оси симметрии и относительно оси, проходящей через точку опоры и перпендикулярной оси симметрии, w - угловая скорость вращения вокруг оси симметрии.

Раскрутим гироскоп вокруг его оси симметрии до большой угловой скорости (момент импульса L) и станем поворачивать раму с укрепленным в ней гироскопом вокруг вертикальной оси с некоторой угловой скоростью W. Момент импульса L получит при этом приращение dL, которое должно быть обеспечено моментом сил М, приложенных к оси гироскопа. Момент М, в свою очередь, создан парой сил F+ F`, возникающих при вынужденном поаороте оси гироскопа и действующих на ось со стороны рамы. По третьему закону Ньютора ось действует на раму с силами Ф + Ф`. Эти силы называются гироскопическими, они создают гироскопический момент М`. Появление гироскопических сил называют гироскопическим эффектом. Именно эти гироскопические силы мы и чувствуем, пытаясь повернуть ось вращающегося колеса.

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

L=Jw

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

M=WxL=Wx(Jw)

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

M`=-M= (Jw)xW

Направление гироскопических сил можно найти легко найти с помощью правилa, сформулированного Н.Е.Жуковским гироскопические силы стремятся совместить момент импульса L гироскопа с направлением угловой скорости вынужденного поворота.

Вопрос 2.