Принцип на работа и прецесия на жироскопите

Прочетете какво ежироскоп и как работи. Проучете въртящия момент, правилото на дясната ръка, кардана, как изглежда прецесията на жироскопа.

Жироскоп - Въртящо се колело или диск, чиято ос е свободна за всякаква ориентация.

Учебна задача

Сравнете концепцията за въртящо се колело с жироскоп.

Ключови точки

Въртящият момент е перпендикулярен на равнината, създадена от r и F. Стиснете пръстите на дясната си ръка по посока на F и палецът ви ще сочи в правилната посока.
Оказва се, че страната на въртящия момент се сближава с ъгловия момент.
Жироскопът прецесира около вертикалната ос, тъй като въртящият момент към L винаги е зададен хоризонтално и перпендикулярно. Ако жироскопът не се върти, тогава той има ъглов момент в посоката на въртене и се върти около хоризонталната ос.

Въртящият момент е въртящият ефект на силата, измерен в нютони на метър.
Правилото на дясната ръка е посоката на ъгловата скорост ω и момента L, който е насочен от палеца на дясната ръка, когато стиснете пръстите си в посоката на въртене.
Универсалното съединение е устройство за окачване на нещо (като корабен компас, така че да остане хоризонтално).

Жироскопът е устройство за измерване или поддържане на ориентация, базирано на принципите на ъгловия момент. Това е въртящо се колело или диск, чиято ос е свободна за всякаква ориентация. Практически е фиксиран, тъй като монтирането в универсалната връзка поддържа външния въртящ момент до минимум.

Как работи?

Нека да разгледаме как работи жироскопът. Ротационен момент: измерва ъгловия момент по формулата τ = ∆L/∆t.

Виждаме товапосоката ΔL се сближава с посоката на въртящия момент, който я създава. Посоката може да се определи с помощта на правилото на дясната ръка: пръстите на дланта са притиснати в посоката на въртене или сила, а палецът сочи към ъгловия момент или скоростта.

В (a) въртящият момент е перпендикулярен на равнината, създадена от r и F (това е мястото, където сочи палецът ви, ако свиете пръстите си по посока на F). В (b) се вижда, че посоката на ротационния и ъгловия импулс съвпада

Въртящо се колело: Разгледайте колелото и спиците на велосипеда. При въртене ъгловият момент е насочен към лявата страна на момичето (на фигурата). Да кажем, че повтаряме движението. Тя очаква колелото да се завърти в същата посока, в която тя влияе със сила. Но е точно обратното. Силите създават въртящ момент, който е хоризонтален по отношение на човека и именно той формира промени в ъгловия момент, перпендикулярен на първоначалния. Оказва се, че посоката на L се е променила, но стойността не.

Сега посоката на ъгловия момент е по-наклонена към човека, отколкото преди. Така че оста на колелото се движи перпендикулярно на приложената сила, а не в очакваната посока.

На снимка (а) момичето повдига колелото с дясната си ръка и бута с лявата. Това създава въртящ момент директно към нея. Това води до промяна на ъгловия момент ΔL в същата посока. В (b) е векторна диаграма, изобразяваща добавянето на ΔL и L, създаващи нов момент на движение, който сочи повече към момичето. Колелото се движи към нея и излиза перпендикулярно на силите, които тя е приложила.

Жироскоп: Поведението на жироскопа може да се обясни по същия начин. В момента на въртене върху него се активират две сили. Ротационният момент е перпендикулярен на ъгловия момент, така чевтората променя посоката, но не и величината. Устройството извършва прецесия (прецесия на жироскопа) около вертикалната ос, тъй като въртящият момент винаги е хоризонтален и перпендикулярен на L. Ако не се наблюдава въртене на жироскопа, тогава той получава ъглов момент в посоката на въртене (L = ΔL) и започва да се върти около хоризонталната ос.

В (a) виждате, че силите върху въртящия се жироскоп са неговото тегло и опорната сила от стойката. Те създават хоризонтален въртящ момент, който въвежда промяна в ъгъла (ΔL). В (b) ΔL и L се добавят, за да образуват нов ъглов момент със същата величина, но в различна посока. Следователно жироскопът прецезира в посочената посока, освобождавайки се от падането

Приложение

Жироскопите действат като сензори за въртене. Поради това те се използват в инерционни навигационни системи, където магнитните компаси не работят (както в космическия телескоп Хъбъл) или не отговарят на точността. Те са необходими и за стабилизиране на самолети, като радиоуправляеми хеликоптери или безпилотни летателни апарати.