一、產(chǎn)品介紹 陀螺儀(gyroscope)的原理就是,一個旋轉(zhuǎn)物體的旋轉(zhuǎn)軸所指的方向在不受外力影響時,是不會改變的。人們根據(jù)這個道理,用它來保持方向,制造出來的東西就叫陀螺儀。我們騎自行車其實也是利用了這個原理。輪子轉(zhuǎn)得越快越不容易倒,因為車軸有一股保持水平的力量。陀螺儀在工作時要給它一個力,使它快速旋轉(zhuǎn)起來,一般能達到每分鐘幾十萬轉(zhuǎn),可以工作很長時間。然后用多種方法讀取軸所指示的方向,并自動將數(shù)據(jù)信號傳給控制系統(tǒng)。
在現(xiàn)實生活中,陀螺儀發(fā)生的進動是在重力力矩的作用下發(fā)生的。
二、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)
從力學的觀點近似的分析陀螺的運動時,可以把它看成是一個剛體,剛體上有一個萬向支點,而陀螺可以繞著這個支點作三個自由度的轉(zhuǎn)動,所以陀螺的運動是屬于剛體繞一個定點的轉(zhuǎn)動運動。更確切地說,一個繞對稱軸高速旋轉(zhuǎn)的飛輪轉(zhuǎn)子叫陀螺。將陀螺安裝在框架裝置上,使陀螺的自轉(zhuǎn)軸有角轉(zhuǎn)動的自由度,這種裝置的總體叫做陀螺儀,
陀螺儀的基本部件有:
(1) 陀螺轉(zhuǎn)子(常采用同步電機、磁滯電機、三相交流電機等拖動方法來使陀螺轉(zhuǎn)子繞自轉(zhuǎn)軸高速旋轉(zhuǎn),并見其轉(zhuǎn)速近似為常值);
(2) 內(nèi)、外框架(或稱內(nèi)、外環(huán),它是使陀螺自轉(zhuǎn)軸獲得所需角轉(zhuǎn)動自由度的結(jié)構(gòu));
(3) 附件(是指力矩馬達、信號傳感器等)。
歷史
1850年法國的物理學家萊昂•傅科(J.Foucault)為了研究地球自轉(zhuǎn),先發(fā)現(xiàn)高速轉(zhuǎn)動中的轉(zhuǎn)子(rotor),由于慣性作用它的旋轉(zhuǎn)軸永遠指向一固定方向,他用希臘字 gyro(旋轉(zhuǎn))和skopein(看)兩字合為gyro scopei 一字來命名這種儀表。
三、產(chǎn)品特性
陀螺儀被用在飛機飛行儀表的心臟地位,是由于它的兩個基本特性:一為定軸性(inertia or rigidity),另一是逆動性(precession),這兩種特性都是建立在角動量守恒的原則下。
1、定軸性
當陀螺轉(zhuǎn)子以高速度旋轉(zhuǎn)時,就產(chǎn)生了慣性,這慣性使得陀螺轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸保持在空間,指向一個固定的方向,同時反抗任何改變轉(zhuǎn)子軸向的力量,這種物理現(xiàn)象稱為陀螺儀的定軸性或慣性。 其慣性隨以下的物理量而改變:
1)轉(zhuǎn)子質(zhì)量愈大,慣性愈大;
2)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)半徑愈大,慣性愈大;
3)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度愈大,慣性愈大;
2、逆動性
在運轉(zhuǎn)中的陀螺儀,如果外界施一作用或力矩在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸上,則旋轉(zhuǎn)軸并不沿施力方向運動,而是順著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)向90度垂直施力方向運動,此現(xiàn)象即是逆動性。
逆動性的大小也有三個影響的因素:
1)外界作用力愈大,其逆動性也愈大;
2)轉(zhuǎn)子的質(zhì)量慣性矩(moment of inertia)愈大,逆動性愈小;
3)轉(zhuǎn)子的角速度愈大,逆動性愈。
而逆動方向可根據(jù)逆動性原理取決于施力方向及轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向。
實驗目的
直觀地演示旋轉(zhuǎn)剛體(陀螺)在外力作用下的進動和不受外力矩時角動量方向保持不變的特性。
實驗原理
繞旋轉(zhuǎn)對稱軸以很大的角速度轉(zhuǎn)動的剛體就是陀螺。如果沒有外力矩的作用,陀螺轉(zhuǎn)動軸的方向(角動量方向)將保持不變,稱為定軸性。迅速轉(zhuǎn)動的陀螺若受到外力矩(如重力力矩)的作用時,它并不是立即傾倒,而是使其轉(zhuǎn)動軸繞著某一固定軸緩緩轉(zhuǎn)動,即角動量在外力矩的作用下進動。
由于摩擦力、空氣阻力等因素的存在,陀螺繞對稱軸轉(zhuǎn)動的角速度將逐漸變小,后傾倒下來。
實驗儀器
1.電機驅(qū)動,演示陀螺的原理,兩環(huán)三自由度,演示定向特性,附電機電源。
2.儀器尺寸:230*230*230mm
3.重量:2.6Kg
4.電源220V/50Hz
5.鋁合金材質(zhì),高速電機安裝在陀螺儀里面.
實驗步驟
演示角動量守恒
將剛體陀螺儀器平放在桌面上,儀器周轉(zhuǎn)保留一定空間。
1、接通陀螺儀上電機電源接線。
2、接通電機電源,緩幔調(diào)節(jié)電源輸出電壓,可見陀螺開始平穩(wěn)轉(zhuǎn)動,無異常振動雜音。
3、調(diào)電壓至大值,約12V;待轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后,即可觀察陀螺轉(zhuǎn)動特性。
4、當陀螺高速旋轉(zhuǎn)起來時,將陀螺拿起,觀察陀螺轉(zhuǎn)軸的角度變化。
5、然后拿陀螺儀外框轉(zhuǎn)動,可觀察到陀螺轉(zhuǎn)軸的角度始終不變。
注意事項
1、陀螺飛輪高速旋轉(zhuǎn)時,不可用手觸摸或試圖阻止其轉(zhuǎn)動。
2、儀器處于高速旋狀態(tài)下,須有人照看。