Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
ГИРОСКОПЫ. ГИРОСКОПИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ
В буквальном переводе слово «гироскоп» означает прибор для обнаружения вращения. В широком смысле гироскопом называется массивное быстро вращающееся твердое тело. Гироскоп, в особенности когда на него действуют внешние силы, может совершать удивительные движения, кажущиеся на первый взгляд неожиданными и непонятными Они всегда воспринимаются с захватывающим интересом. Быстро вращающийся волчок может служить не только забавной игрушкой, но и прекрасным демонстрационным прибором при изучении движения гироскопов. Все явления, обусловленные быстрым вращением гироскопа, называются гироскопическими. Они нашли широкие научно-технические применения.
Любой гироскоп в процессе вращение имеет точку опоры. Точкой опоры гироскопа называют точку, относительно которой происходит вращение гироскопа. В зависимости от предназначения гироскопа, его точка опоры может быть или закрепленной, или движущейся. Примером гироскопа с движущейся точкой опоры является волчок.
Прецессия
Прецессия — явление, при котором момент импульса тела меняет своё направление в пространстве под действием момента внешней силы.
Прецессия гироскопа
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 — безынерционность: как только сила, вызывающая прецессию волчка, пропадёт, прецессия прекратится, а волчок займёт неподвижное положение в пространстве. В примере с волчком этого не произойдет, поскольку в нём вызывающая прецессию сила — гравитация Земли — действует постоянно.
Можно получить эффект прецессии, не дожидаясь замедления вращения волчка: толкните его ось (приложите силу) — начнётся прецессия. С прецессией напрямую связан другой эффект, показанный на иллюстрации ниже — 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).
Вращение (R, зелёный), прецессия (P, синий) и нутация (N, красный) планеты
Физика явления
В основе объяснения явления прецессии лежит экспериментально подтверждаемый факт, что скорость изменения момента импульса вращающегося тела прямо пропорциональна величине приложенного к телу момента силы :
На рис. 1 изображено вращающееся велосипедное колесо, висящее на двух нитях «a» и «b». Вес колеса уравновешивается силами, вызванными деформациями нитей. Колесо обладает моментом импульса , направленным по его оси и в том же направлении направлен вектор угловой скорости вращения колеса .
Рис.1 Прецессия велосипедного колеса
Пусть в некоторый момент времени нить «b» будет разрезана. В таком случае, вопреки ожиданиям, вращающееся колесо не изменит горизонтального направления своей оси и, подобно маятнику, не будет качаться на нити «a» . Но его ось начнёт поворачиваться в горизонтальной плоскости благодаря действию на него момента силы :
Поскольку и , то
и, так как угловая скорость прецессии : равна:, получаем: или, с учётом того, что , где есть момент инерции колеса:[3]
Формальное объяснение такого поведения вращающегося колеса заключается в том, что вектор приращения момента количества движения всегда перпендикулярен вектору , кроме того, он всегда параллелен вектору момента силы , всегда находящегося в плоскости горизонта (к которой перпендикулярен вектор веса тела ).Поэтому ось колеса прецессирует в данном случае параллельно этой плоскости.
Приведённое объяснение показывает как происходит прецессия, но не даёт ответа почему, который состоит в том, что в начальный момент под действием силы тяжести ось колеса всё же наклоняется в плоскости чертежа и вектор количества движения меняет своё положение в пространстве: . Однако сила тяжести не создаёт никакого момента в горизонтальной плоскости. И поэтому направление и величина момента количества движения должна оставаться прежними, что достигается появлением дополнительного момента в выражении:
= + .
Именно этот момент и вызывает прецессию.
Рис. 3.5 О При попытках вызвать поворот оси
гироскопа определенным образом возникают
так называемые гироскопические силы. С
О' О' наличием таких сил приходится считаться,
например, при конструировании паровых
турбин на судах. Ротор турбины представляет
собой гироскоп, ось вращения которого
О параллельна оси судна ОО. При килевой (продольной) качке судна происходит принудительный поворот оси турбины вокруг прямой О'О'(см. рис.3.5), перпендикулярной оси ротора . Это приводит к возникновению гироскопических сил и , обусловливающих дополнительное, подчас значительное, давление оси на подшипники. Это требует специальных решений при конструировании турбины.
К материалам, из которых изготавливаются гироскопы для гироскопических приборов, предъявляются особые требования. Они должны быть изготовлены из очень прочного вещества, поскольку при высоких скоростях вращения велики центробежные силы. И при недостаточной прочности материала гироскоп просто развалится, и прибор выйдет из строя.
Рис. 3.6 Когда вращение гироскопа сопровож-
дается воздействием каких-либо внешних сил,
наблюдается так называемая прецессия гиро-
гироскопа. Прецессия – это движение оси
гироскопа, происходящее таким образом,
что ось описывает конус (см. рис. 3.5). Для
технических устройств, в которых использу-
ются гироскопы, прецессия – явление пара-
зитное (т.е. вредное, снижающее КПД),
поэтому ее всегда стараются свести к мини-
муму.
Кстати, планеты тоже являются массивными вращающимися телами, а потому тоже являются гироскопами. Конечно, скорость их вращения невелика, но, тем не менее, все сопутствующие гироскопические явления тоже имеют место. В том числе и прецессия.
Прецессия небесных тел
Прецессия земной оси вокруг Северного полюса эклиптики
Подобное движение совершает ось вращения Земли, что было отмечено Гиппархом как предварение равноденствий. Колебание оси вращения Земли влечёт изменение положения звёзд относительно экваториальной системы координат. В частности, через некоторое время Полярная звезда перестанет быть ближайшей к северному полюсу Земли яркой звездой, а Турайс будет Южной Полярной звездой примерно в 8100 году н. э. Предположительно, с прецессией связано периодическое изменение климата Земли
Для внешнего наблюдателя свободная прецессия планеты представляется как движение по конусу оси симметрии планеты вокруг неподвижной оси вращения. Если планету рассматривать отдельно от окружающих ее небесных тел, то можно теоретически вычислить период так называемой свободной прецессии. В частности расчетное значение периода свободной прецессии равен 305 суток. Но реальный период существенно отличается от теоретического, т.к. Земля подвергается ощутимому гравитационному воздействию со стороны Солнца, Луны и других планет. Причем оно все время изменяется, поскольку все эти тела пребывают в постоянном движении. По современным данным, полный цикл земной астрономической прецессии составляет около 25 765 лет.
А задумывались ли Вы, для чего в современном боевом огнестрельном оружии используют нарезной ствол? Для того, чтобы пулю превратить в гироскоп! При прохождении через ствол пуля «раскручивается»; находясь в полете, пуля вращается и тем самым увеличивается дальность ее полета и уменьшается отклонение от первоначально заданного курса.
Эти примеры показывают, что гироскоп – не обязательно какое-то специально изготовленное тело. Им может стать любое твердое симметричное тело – достаточно его просто заставить вращаться.
ПРИМЕНЕНИЕ ГИРОСКОПОВ
Научно-технические применения гироскопов весьма разнообразны. Остановимся на самых распространенных гироскопических приборах.
1. Гироскопический компас (гирокомпас). Основной элемент этого прибора представляет собой гироскоп, ось которого может свободно поворачиваться в горизонтальной плоскости. При включении гирокомпаса ось гироскопа устанавливается в меридиальной плоскости, располагаясь горизонтально, позволяя таким образом определять направления частей света. Скорость вращения гироскопа в гирокомпасе очень высокая от 17000 до 25000 об/мин.
Принцип работы. Гирокомпас является навигационным гироскопическим прибором, служащим для указания направлений в море. Основным элементом всех навигационных гироскопических приборов, применяемых для указания направлений в море, является гироскоп.
Термин "гироскоп" введен французским физиком Л. Фуко и образован из двух греческих слов: "гирос"-вращение и "скопейн" - наблюдать, видеть, т. е. в переводе "гироскоп" - указатель вращения.
Гироскоп представляет собой массивный диск, который приводится во вращение электрическим путем, являясь ротором электродвигателя. Гироскоп (рис. 3.6А), подвешенный в кардановых кольцах, может поворачиваться вокруг трех взаимно перпендикулярных и пересекающихся в одной точке осей: х - оси вращения самого гироскопа, или главной оси, у - оси вращения внутреннего кольца, z - оси вращения наружного кольца подвеса. Углы поворота гироскопа вокруг осей вращения будут координатами, определяющими положение гироскопа в пространстве. При всех возможных поворотах гироскопа около указанных осей неподвижной остается только одна его точка О, в которой эти оси пересекаются. Эту точку называют точкой подвеса гироскопа.
А). Б).
Рис.3.6 А). гироскоп гирокомпаса, Б). принцип действия гироскопа кирокомпаса
Гироскоп, у которого возможны вращения вокруг трех указанных осей, называется гироскопом с тремя степенями свободы. Гироскоп, обладающий тремя степенями свободы, у которого центр тяжести совпадает с точкой подвеса, и не подверженный действию моментов внешних сил, называют свободным гироскопом. Хотя до сих пор свободный гироскоп практически не создан, современные гироскопы имеют настолько малые силы трения в подвесе, что по своим свойствам приближаются к свободному гироскопу.
Чтобы ось гироскопа могла свободно поворачиваться в пространстве, гироскоп обычно помещают в так называемом кардановом подвесе.
Карданов подвес
Карда́нов подве́с — универсальная шарнирная опора, позволяющая закреплённому в ней объекту вращаться одновременно в нескольких плоскостях. Главным свойством карданова подвеса является то, что если в него закрепить вращающееся тело, то оно будет сохранять направление оси вращения независимо от ориентации самого подвеса. Это свойство нашло применение в гироскопах, применяющихся в авиации и космонавтике. Держатели судовых компасов или просто сосудов с питьём в транспортных средствах тоже используют карданов подвес, который позволяет предмету находиться в вертикальном положении несмотря на толчки и тряску.
Подвес получил своё название по имени Джероламо Кардано (1501—1576), который не только не изобрёл его, но даже и не претендовал на авторство: он описал это устройство в своей получившей широкую известность книге «De subtilitate rerum» («Хитроумное устройство вещей», 1550 г.).
История
Карданов подвес был впервые изобретён греческим инженером Филоном Византийским в III в. до н. э. В одном из своих трудов Филон описывает восьмигранную чернильницу с отверстиями на каждой стороне. Можно было перевернуть восьмигранник любой стороной кверху, но чернила не проливались. Секрет заключался в том, что чернильница находилась в центре хитроумно установленных концентрических металлических колец, поэтому она сохраняла устойчивость независимо от положения. Оригинальный текст Филона Пневматика, описывающий это применение карданова подвеса, существует в более позднем арабском переводе, сделанном багдадским халифом Мамуном (786—833).
После античности карданов подвес был широко известен в мусульманском мире. В IX веке, через 1100 лет после изобретения, устройство стало снова известно в Европе благодаря арабам. А ещё через 800 лет известный учёный Роберт Гук и другие изобретатели стали использовать этот принцип не для стабилизации центрального элемента, а для приложения внешних сил. Этому западному изобретению дали название универсального шарнира. Именно оно легло в основу механизма силовой передачи современных автомобилей.
Самое раннее упоминание этого устройства в китайской литературе относится к 140 г. до н. э. Предполагаемым изобретателем устройства считается Фан Фэн. Подвес Фан Фэна применялся в масляных лампах, в которых лампадка крепилась на кольцах, скрепленных в двух противоположных точках, что позволяло сохранять ей вертикальное положение. Принцип данного устройства был вскоре забыт.
Компас нового времени, использующий карданов подвес(1570)
В сочинении «Всесторонние записки западной столицы», изданном в 189 г., сообщается что создателем «курительницы для постели» с применением особого подвеса был Дин Хуань. После этого карданов подвес часто применялся в разных устройствах. Начиная с эпохи Сун с помощью карданова подвеса крепилось сиденье императора на паланкине, что позволяло сидеть ему вертикально, даже если носильщики наклоняли паланкин. В 18 в. китайские матросы с помощью подобного подвеса крепили компас.
На гироскоп, вращающийся с большой скоростью вокруг главной оси х, существенно не повлияет поворот основания карданового подвеса. Следовательно, направление, которое было придано главной оси гироскопа при его запуске, останется постоянным в пространстве. Это первое и основное свойство гироскопа иногда называют "устойчивостью" главной оси свободного гироскопа. Чем больше угловая скорость и масса ротора, тем сильнее выражено его свойство сохранять неизменным первоначальное направление своей оси в пространстве. Используя свободный гироскоп, можно проследить за суточным вращением Земли вокруг своей оси. В связи с тем что ось свободного гироскопа сохраняет неизменным свое первоначальное направление в пространстве, а Земля вращается, наблюдатель сможет увидеть, что ось гироскопа
поворачивается относительно Земли. Если главную ось свободного гироскопа направить на какую-либо звезду, то ось гироскопа, сохраняя направление на звезду неизменным, будет вместе с ней изменять свое положение, поскольку плоскости меридиана наблюдателя и истинного горизонта вращаются вместе с Землей. Измерение положения главной оси гироскопа относительно меридиана, и горизонта называется видимым движением.
Теперь приложим к свободному гироскопу постоянную силу F, которая будет стремиться повернуть его вокруг горизонтальной оси уу (рис. 3.6Б). Однако гироскоп не будет поворачиваться вокруг оси уу, а начнет поворачиваться вокруг оси zz в направлении, показанном стрелкой. Приложив к гироскопу силу, стремящуюся повернуть его вокруг вертикальной оси zz, увидим, что гироскоп начнет поворачиваться вокруг горизонтальной оси уу. Таким образом, под действием приложенной постоянной силы главная ось гироскопа будет поворачиваться не в направлении приложенной силы (как это было бы в случае невращающегося гироскопа), а в плоскости, перпендикулярной линии действия силы. Такое движение гироскопа называется прецессией и является вторым свойством гироскопа.
Прецессионное движение прекращается сразу же после окончания действия силы. Поэтому различные толчки и удары, которые передаются от корпуса судна на гирокомпас, вызывают прецессию, гироскопа только в течение своего действия, а так как оно кратковременно, то ось гироскопа практически остается в меридиане. Следовательно, толчки и удары не оказывают на гирокомпас почти никакого влияния.
У гирокомпаса, как и у всякого прибора, имеются погрешности. Вследствие погрешностей гирокомпаса гирокомпасный меридиан не совпадает с истинным меридианом на угол, называемый общей поправкой гирокомпаса. В связи с тем что общая поправка не является величиной постоянной, судоводитель обязан систематически определять общую поправку гирокомпаса навигационными, астрономическими и радионавигационными способами.
Устройство гирокомпаса. Рассмотрим основные узлы гирокомпаса типа "Курс", устанавливаемого на судах морского флота. Главной частью гирокомпаса является основной прибор (рис. 3.7А), в котором расположены чувствительный элемент - гиросфера, следящая сфера, внешние части основного прибора гирокомпаса, неподвижные относительно судна. Гиросфера (рис. 3.7Б) представляет собой герметическую сферу, внутри которой расположены два гиромотора, жидкостный успокоитель, реле выключателя ' затухания и катушка электромагнитного дутья. Корпус гиросферы состоит из двух латунных полусфер, облицованных снаружи эбонитом. Гироскопы или гиромоторы являются трехфазными электрическими двигателями с частотой вращения порядка 20 000 об/мин. Гиромоторы установлены на специальном кронштейне, который крепится к нижней полусфере.
Жидкостный успокоитель служит для гашения незатухающих колебаний чувствительного элемента. Катушка электромагнитного дутья уложена в нижней части гиросферы. При прохождении тока вокруг катушки образуются переменные магнитные поля, которые препятствуют опусканию гиросферы. Время непрерывной работы 2 тыс. ч при общем сроке службы 10 лет.
А). Б).
Рис. 3.7 А). основной прибор гирокомпаса, Б). внешний вид гиросферы
Изобретателем гирокомпаса считается немецкий инженер Ге́рман Аншю́тц-Ке́мпфе (1872— 1931). И хотя с момента изобретения они многократно усовершенствовались, гирокомпасы типа Аншютц-Кемпфе по сей день являются самыми популярными.
В "Новом Аншютце" гиросфepa диаметром 25 см с двумя гироскопами (двухгироскопная система в отношении качки несравненно устойчивее одногироскопной) свободно плавает в жидкости, трение о которую практически нулевое; снаружи она не касается никаких подпорок, стенок и т.д. К ней даже не подходят электрические провода: они ведь способны передавать какие-то механические усилия и моменты. Естественно возникает вопрос: от чего же в таком случае "питаются" электродвигатели гироскопов? Найденному решению этой проблемы никак не откажешь в остроумии: у гиросферы имеются выполненные из электропроводного материала "полярные шапки" и "экваториальный пояс". Против этих электродов в жидкости находятся аналогичные, но неподвижные электроды, к которым подключены фазы электропитания. Жидкость, в которой плавает сфера, - это спирт или вода, в которую добавлено немного глицерина для придания ей антифризных свойств и кислоты, делающей воду электропроводящей. Таким образом, трехфазный ток "подается" в гиросферу прямо через поддерживающую ее жидкость, а затем уже изнутри (по проводам) разводится к статорным обмоткам гироскопных двигателей. Свободно плавающая в жидкости гиросфера, если бы мы не знали, что она начинена гироскопами, могла бы показаться просто чудом: она упорно и с огромной точностью устанавливается одним из своих диаметров в направлении север-юг (по нанесенным на нее делениям моряки и определяют это направление). Впрочем, это чудо сродни чуду "самопроизвольной" ориентации магнитной стрелки, столь глубоко поразившему Эйнштейна, по его признанию, еще в раннем детстве.
Гиросфера гирокомпаса типа Аншютц - Кемпфе в разрезе
Основной компас устанавливают в отдельном помещении — гиропосту. Его показания с помощью репитеров передаются в рулевую и штурманскую рубки, на крылья мостика и в другие помещения, где устанавливаются приборы курсоуказания. Совместно с гирокомпасом работает курсограф — прибор, автоматически записывающий курсы судна.
Гирокомпасы используются для осуществления автоматического удержания судна на курсе при помощи специального прибора — авторулевого.
Преимущества гирокомпаса:
Недостатки гирокомпаса:
сложность конструкции и необходимость в специальном обслуживании;
большое количество вспомогательного электрооборудования лишает гирокомпас автономности, а для введения его в рабочее состояние необходимо некоторое время;
в районе географического полюса Земли гирокомпас, как и магнитный компас в районе магнитного полюса, перестает указывать направление.
Все современные суда снабжаются магнитными компасами и гирокомпасами, что
позволяет взаимно контролировать работу этих приборов.
2. Важным применением гироскопа является создание гироскопического горизонта и вертикали (гирогоризонт и гировертикаль). Это необходимо в навигации в условиях отсутствия видимости линии горизонта. В отличие от обычных отвесов, на гироскопическую вертикаль не влияют ускорения, которые всегда имеют место в самолетах и кораблях при наборе скорости, поворотах, качке и т.д.
3. Свойство гироскопа сохранять неизменным направление своей оси вращения используется для управления движением самодвижущихся мин (торпед), самолетов, судов, ракет и прочих аппаратов. Ось вращающегося гироскопа задает курс движения аппарата. При всяком отклонении аппарата от курса (например, вследствие удара волн или действия порывов ветра) направление оси гироскопа в пространстве сохраняется, и посредством множества механических связей возвращает движение аппарата к заданному курсу. Автопилот самолета представляет собой систему двух гироскопов, один из которых – с вертикальной осью – задает эшелон полета, а второй – с горизональной осью, ориентированный вдоль оси самолета – задает его курс. Такими автопилотами, освобождающими летчика от необходимости непрерывного управления самолетом, оборудованы все современные самолеты, предназначенные для длительных полетов.
турбина
вверх
вниз