Учебный прибор для демонстрации гироскопического эффекта

 

Использование: учебно-наглядные пособия по теоретической механике. Сущность изобретения: учебный прибор для демонстрации гироскопического эффекта содержит основание, стойку, поворотную раму с рукояткой, диск, установленный на оси, держатель диска, выполненный в виде первого кольца, связанного с рамой подвижным соединением, и второго кольца, установленного в первом кольце, подшипники оси диска, плоскую пружину, рычаг с пазом для взаимодействия с пружиной и фиксатор второго кольца. После установки оси диска в горизонтальное положение и фиксации колец диску придается необходимая скорость вращения. Поворотом рукоятки гироскопу сообщается вынужденное прецессионное движение. Период обращения поворотной рамы регистрируется визуально. В процессе демонстрации на кольца устанавливается сменный груз, затем с помощью пружины имитируется действие внешней силы, а поворотом оси диска относительно кольца показывается зависимоть скорости прецессии от угла между вектором кинетического момента и вертикальной осью прецессии. Цель - расширение демонстрационных возможностей путем обеспечения демонстрации влияния скорости прецессии от угла между вектором кинематического момента и вектором внешней силы. 2 ил.

Изобретение относится к учебно-наглядным пособиям по теоретической механике, например, к приборам для демонстрации вынужденной прецессии и гироскопического эффекта.

Известен учебный прибор для демонстрации гироскопического эффекта, содержащий ось с диском, раму, основание со стойкой и рукоятку, при этом к оси диска прикреплены вилки, а рама имеет осевые опоры и упоры-ограничители, образующие с вилками подвижные соединения (Авт.св. СССР N 446897, кл. G 09 B 23/10, 1974).

Недостатком данного учебного прибора является то, что он не обеспечивает наглядность зависимости скорости прецессии от угла между векторами кинетического момента и вертикальной осью прецессии.

Известен учебный прибор для демонстрации гироскопического эффекта, содержащий укрепленную на основании полую стойку, установленную на ней поворотную раму с рукояткой и диск, установленный на оси, концы которой связаны с рамой подвижным соединением, причем он имеет установленный на оси диска сменный груз с держателем, стержень, расположенный в стойке и жестко связанный с рамой, и датчик скорости вращения рамы, состоящий из магнитного элемента, укрепленного на свободном конце стержня, геркона, установленного в основании, и электрически связанного с ним регистратора, при этом диск расположен в держателе (Авт. св. СССР N 957252, кл. G 09 B 23/06, 1982).

Недостатком данного учебного прибора является то, что он не обеспечивает наглядную демонстрацию зависимости скорости прецессии от угла между вектором кинетического момента и вертикальной осью прецессии.

Наиболее близким к предлагаемому устройству по технической сущности является учебный прибор для демонстрации гироскопического эффекта (Авт.св. СССP N 957252), который имеет имитатор внешней силы, выполненный в виде закрепленной одним концом на поворотной раме плоской пружины, и установленный на конце оси рычаг с пазом, взаимодействующий со свободным концом плоской пружины (1).

Недостатком данного учебного прибора является также то, что он не обеспечивает наглядную демонстрацию зависимости скорости прецессии от угла между вектором кинетического момента и вертикальной осью прецессии.

Целью изобретения является расширение демонстрационных возможностей путем обеспечения демонстрации зависимости скорости прецессии от угла между вектором кинетического момента и вертикальной осью прецессии.

Данная цель достигается тем, что в учебном приборе для демонстрации гироскопического эффекта, содержащем укрепленную на основании полую стойку, установленную на ней поворотную раму с рукояткой, диск, установленный на оси, держатель диска, подвижное соединение держателя диска и поворотной рамы, сменный груз и имитатор внешней силы, выполненный в виде закрепленной одним концом на поворотной раме плоской пружины и установленного на подвижном соединении держателя диска и рамы рычага с пазом, взаимодействующего со свободным концом плоской пружины, в нем держатель диска выполнен в виде двух колец, расположенных в вертикальной плоскости, первое из которых в двух диаметрально противоположных точках связано с поворотной рамой подвижным соединением, второе - размещено коаксиально внутри первого с возможностью поворота относительно первого и в его плоскости, а диск с осью расположен внутри второго кольца так, что ось диска проходит по диаметру кольца.

На фиг. 1 изображен учебный прибор для демонстрации гироскопического эффекта, общий вид; на фиг.2 - узел I на фиг.1.

Учебный прибор для демонстрации гироскопического эффекта содержит укрепленную на основании 1 полую стойку 2, установленную на ней поворотную раму 3 с рукояткой 4, диск 5, установленный на оси 6, держатель диска, который выполнен в виде первого кольца 7, расположенного в вертикальной плоскости, две диаметрально противоположные точки которого связаны с поворотной рамой 3 подвижным соединением 8, и второго кольца 9, размещенного коаксиально внутри первого кольца 7 с возможностью поворота относительно первого в его плоскости и закрепленного от осевого перемещения с помощью планок 10, причем ось 6 диска проходит по диаметру второго кольца 9, а концы оси 6 диска укреплены в подшипниках 11, жестко связанных с вторым кольцом 9. Учебный прибор имеет также установленный на первом кольце 7 сменный груз 12 и имитатор внешней силы, выполненный в виде закрепленной одним концом на поворотной раме 3 плоской пружины 13, и установленного на цапфе 14 подвижного соединения 8 рычага 15 с пазом, взаимодействующего со свободным концом плоской пружины 13. Для фиксации кольца 9 с диском 5 относительно кольца 7 на последнем установлен фиксатор 16.

Учебный прибор работает следующим образом.

Для демонстрации вынужденной прецессии с первого кольца 7 снимают сменный груз 12, ось 6 диска 5 устанавливают в горизонтальное положение осесимметрично цапфам 14 подвижного соединения 8 путем поворота кольца 9 и стопорения его фиксатором 16 в кольце 7, после чего диску 5 придается необходимая скорость вращения от постороннего двигателя. По направлению раскрутки ротора 5 гироскопа и направлению принудительного вращения поворотной рамы 3 можно заранее определить направление вектора угловой скорости ω₁ вращения ротора и вектора ω₂ угловой скорости принудительной прецессии и установить в соответствии с правилом Грюэ-Жуковского направление движения оси 6 диска 5. Далее плавным поворотом рукоятки 4 гироскопу сообщают вынужденное прецессионное движение, но так, чтобы поднятым оказался конец оси 6 с рычагом 15, чем и получают экспериментальное подтверждение правильности теоретического вывода. Ось 6 гироскопа начинает прецессировать вокруг полой стойки 2. После выхода одной из цапф 14 из подвижного соединения 8 и поворота оси 6 диска вместе с первым 7 и вторым 9 кольцом держателя диска, гироскоп становится тяжелым. Скорость прецессии его главной оси может быть определена по формуле: α = K˙W, (1) где К= ; m - масса гироскопа ; l - проекция величины смещения центра масс гироскопа относительно оси подвеса на горизонтальную плоскость; Н - кинетический момент гироскопа; W - кажущееся ускорение гироскопа, численно равное величине силы тяжести.

По завершении полного оборота поворотной рамы 3 гироскопа визуально регистрируется время прецессии.

Затем с помощью рукоятки 4 создается угол наклона оси 6 диска в пределах 50-60^о. Скорость прецессии при этом остается прежней. После этого на кольца 7 и 9 надевается сменный груз 12. В этом случае момент силы тяжести гироскопа изменяет свою величину и, следовательно, ось 6 гиpоскопа начинает прецессировать с другой по величине скоростью, что фиксируется визуально. При установке сменного груза 12 на кольца 7 и 9 изменяется коэффициент пропорциональности К в формуле (1) за счет изменения массы и положения центра масс, т.е. плеча l.

Затем сменный груз 12 с колец 7 и 9 снимается и плавным поворотом рукоятки 4 создается угол наклона оси 6 диска в пределах 50-60^о в противоположную сторону. Ось гироскопа продолжает прецессировать, но при этом рычаг 15 нажимает на плоскую пружину 13 и изгибает ее, создавая момент внешней силы. Таким образом, плоской пружиной 17 имитируется действие на гироскоп какой-либо дополнительной (кроме силы тяжести) внешней силы, вызванной, например, изменением скорости (ускорения) летательного аппарата в результате действия силы тяги (либо аэродинамического торможения). Следовательно, ось гироскопа начинает прецессировать с другой по величине скоростью, что также фиксируется визуально.

В этом случае в формуле (1) коэффициент пропорциональности остается прежним, а изменяется второй сомножитель, который равен: W=g+ , (2) где F_пр - сила упругости пружины, а скорость прецессии главной оси гироскопа равна: j= q + , (3) и увеличивается.

Изменяя силу упругости плоской пружины 13 путем замены, можно изменять действующее на гироскоп ускорение и демонстрировать при этом изменение скорости прецессии. Возможность такой демонстрации способствует более глубокому и быстрому усвоению принципа работы гироинтегратора линейных ускорений, использующего принцип тяжелого гироскопа.

Затем путем поворота кольца 9 с осью 6 диска относительно кольца 7 и фиксации его под различными углами к горизонтальной плоскости (вплоть до вертикального положения) показывается зависимость скорости прецессии от угла между вектором кинетического момента и вертикальной осью прецессии. При этом благодаря особенностям подвеса диска 5 прибора (наличие соосных колец 7 и 9 с фиксатором) появляется возможность наглядно продемонстрировать эту зависимость. Так при повороте кольца 9 относительно кольца 7 на угол 90^о, при этом направление вектора кинетического момента совпадает с вертикальной осью, а угол ϕ=0, эффекта прецессии не наблюдается, также не наблюдается эффекта подъема гироузла в результате принудительного поворота рамы 3 прибора за рукоятку 4.

Формула изобретения

УЧЕБНЫЙ ПРИБОР ДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИИ ГИРОСКОПИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА, содержащий укрепленную на основании полую стойку, установленную на ней поворотную раму с рукояткой, диск, установленный на оси, сменный груз и имитатор внешней силы, состоящий из закрепленной одним концом на поворотной раме плоской пружины и рычага с пазом, взаимодействующего со свободным концом плоской пружины, отличающийся тем, что он имеет держатель диска, состоящий из двух колец, расположенных в вертикальной плоскости, первое из которых в двух диаметрально противоположных точках связано с поворотной рамой подвижным соединением, второе размещено коаксиально внутри первого с возможностью поворота относительно первого и в его плоскости, а диск с осью расположен внутри второго кольца так, что ось диска проходит по диаметру кольца, при этом рычаг с пазом установлен в подвижном соединении первого кольца с поворотной рамой, а кольца имеют фиксаторы их взаимного положения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2