22625

ГІРОСКОП

Лабораторная работа

Физика

Вимірювання швидкості прецесії гіроскопа. Визначення моменту імпульсу та моменту інерції гіроскопа. Макетна установка для спостереження явища регулярної прецесії гіроскопа та виконання необхідних вимірювань. Головне припущення елементарної теорії гіроскопа полягає у тому що і при повільному русі осі обертання у будьякий момент часу момент імпульсу гіроскопа відносно його нерухомої точки вектор вважається направленим по осі гіроскопа у той же бік що й вектор кутової швидкості .

Украинкский

2013-08-03

112.5 KB

5 чел.

4

Лабораторна робота "ГІРОСКОП".

    Мета роботи. 1. Вимірювання швидкості прецесії гіроскопа.

                            2. Визначення  моменту  імпульсу   та    моменту

                               інерції гіроскопа.

    Прилади та  матеріали. Макетна  установка  для  спостереження

    явища регулярної прецесії гіроскопа та виконання  необхідних

    вимірювань.

Стислі теоретичні відомості.

 Гіроскопом називають тверде  тіло, що  обертається  навколо осі, напрям якої у просторі може змінюватись з  плином  часу. Найчастіше розглядають симетричні гіроскопи, тобто такі, що мають матеріальну вісь симетрії та обертаються навколо цієї осі.

Гіроскопи, які застосовують у техніці, мають дуже велику кутову швидкість власного обертання   навколо  своєї  осі  симетрії. Це дозволяє не враховувати у  першому  наближенні  додаткові обертання, які гіроскоп отримує під час руху його осі, та  скласти наближену теорію гіроскопічних явищ. Відомо, що коли  тіло  обертається  навколо  нерухомої  осі  , яка  є  віссю  симетрії тіла, вектор моменту імпульсу  має напрямок по осі обертання  та обраховується за формулою

                                                           ,                                                                (1)

де    -  момент  імпульсу тіла відносно його осі обертання;

       -  момент інерції тіла відносно його осі обертання;

       -  кутова швидкість обертання.

Головне припущення  елементарної  теорії гіроскопа полягає у тому, що і при повільному русі  осі  обертання у будь-який момент часу  момент  імпульсу гіроскопа відносно його нерухомої точки (вектор ) вважається  направленим по осі гіроскопа у той же  бік, що  й  вектор  кутової  швидкості . При цьому його числове значення визначається за формулою (1):

                                                     ,

де - момент інерції гіроскопа відносно його осі симетрії. Це припущення справджується тим краще, чим швидше обертається гіроскоп.

Розглянемо деякі властивості гіроскопа. Гіроскоп, закріплений так , що його центр мас є нерухомим, а вісь може робити будь-який поворот навколо  цього  центра, називають  вільним. Таке  закріплення здійснюють за допомогою кільцевих (або  карданових)  підвісів. Головне рівняння обертального руху

                                                                                                               (2)

для  такого  гіроскопа, якщо знехтувати тертям у  осях  підвісу,  має  у  правій  частині нуль, тобто модуль та напрямок моменту імпульсу залишаються сталими. Але оскільки вектор  направлений завжди по  осі  гіроскопа, то звідси виходить, що вісь  вільного  гіроскопа  зберігає  незмінним напрямок  у  просторі  по  відношенню  до  інерціальної   системи відліку. Це одне з важливих влстивостей  гіроскопа, які  використовуються для конструювання гіроскопічних приладів.

Нехай на вісь вільного  гіроскопа  діє  сила  , момент  якої відносно центра О дорівнює .Тоді за теоремою моментів . При цьому похідна  дорівнює лінійній швидкості   кінця  вектора  і тому                

                                                            .                                             (3)

Отже, швидкість кінця вектора імпульсу гіроскопа відносно цетра О дорівнює за модулем та напрямком головному моменту зовнішніх  сил відносно того ж центру. Тому вісь почне відхилятися не в  бік  дії сили, а за напрямком, який має вектор моменту цієї сили  відносно нерухомої  точки  О  гіроскопа, тобто  перпендикулярно до сили . З рівняння (3) виходить також, що гіроскоп не зберігає  руху, заподіяного йому силою (якщо , то  та  і вісь  зупиняється). Коли дія сили є короткочасною (поштовх), то вісь гіроскопа практично не змінює свого напрямку. У цьому полягає властивість стійкості вісі швидко обертаючогося гіроскопа.

Якщо гіроскоп розташувти вертикально так, щоб нерухома точка гіроскопа О не співпадала  з  його  центром  мас  (наприклад, дзига), то на вісь гіроскопа буде  постійно  діяти  сила  , яка  відхилятиме  вісь не за напрямком діючої сили, а  перпендикулярно  до неї. У зв"язку з цим вісь гіроскопа почне обертатися навколо вертикальної осі, описуючи конічну поверхню.Такий рух осі гіроскопа називають регулярною прецесією. Прецесія виникає  і  при  горизонтальному розташуванні гіроскопа. В цьому  випадку  вісь  гіроскопа закріплюють у двох  точках  в  якомусь  з  різновидів  кільцевого підвісу і прецесійний рух відбувається у горизонтальній площині.

Якщо швидко обертаючомуся гіроскопу  надати  вимушений  прецесійний рух то вісь гіроскопа буде тиснути  на  підшипники  закріплення з силами, однаковими за модулем та протилежними  за  напрямком. Ці сили утворюють пару сил, яку  називають гіроскопічною парою, її момент - гіроскопічним моментом, а  саме  явище  виникнення гіроскопічної пари - гіроскопічним ефектом. Крім тиску на  підшипники, гіроскопічний ефект може викликати  рух  того  тіла, з  яким поєднані ці підшипники, якщо тільки цей рух дозволяється  накладе-ними зв’язками. Розглянуті властивості гіроскопа  використовують у техніці для створення різних гіроскопічних  стабілізаторів, гіроскопічних навігаційних приладів та приладів  спеціального  призначення.

У  даній лабораторній роботі досліджується прецесія  горизонтально розташованого гіроскопа. У цьому випадку  аналіз  рівняння  (1)  приводить до простої формули:

                                                                     ,                                                   (4)

де  - швидкість прецесії осі гіроскопа.

Опис макетної установки.

Макетна установка дозволяє досліджувати прецесію симетричного горизонтально розташованого гіроскопа та вимірювати параметри його руху. Власне гіроскопом є ротор електричного  двигуна, поєднаний з масивним маховиком. Електричний двигун закріплений всередині обойми, яка забезпечує створення різних  зовнішніх  моментів  сили тяжіння, діючих на гіроскоп, та рух осі гіроскопа у  горизонтальній та вертикальній  площинах. Зовнішні  моменти  сили  тяжіння  можна змінювати, пересувючи ваговий диск уздовж стержня обойми.

Макет  має  також  електронний  блок, до  складу  якого  входять:

  •  система вимірювання швидкості обертання ротора  електричногодвигуна;
  •  фотоелектрична ситема вимірювання кута повороту  гіроскопа навколо вертикальної осі;
  •  електронний таймер.

Підключення макету до мережи живлення здійснюється натисканням кнопки  "СЕТЬ", а

електричний двигун включається ручкою "РЕГУЛИРОВКА СКОРОСТИ" обертанням її праворуч з крайнього лівого положення. Наступне обертання цієї ручки дає збільшення  швидкості обертання електричного двигуна. Значення кутової швидкості обертання  гіроскопа  відтворюється на стрілочному індикаторі макету. Системи вимірювання  кута  повороту  гіроскопа   та    часу, за    який    цей    поворот здійснюється, включаються автоматично після натискання  на  кнопку "СЕТЬ". Відповідна інформація висвітлюється на двох цифрових  табло з назвами "УГ*10 (град.)" та "ВРЕМЯ, с".

Натисканням кнопки "СБРОС" робиться обнулення цифрових  табло електронного блоку та запускання фотоелектричної системи  вимірювання кута  повороту  гіроскопа  та  електронного  таймера. Відлік інформації починається після  того, як  світловий  промінь  пройде скрізь найближчу до нього прорізь  у  циліндричній  діафрагмі  та влучить у фотоелемент системи. Діафрагма поєднана з обоймою гіроскопа і обертається разом з ними  навколо  вертикальної  осі. Після натискування на кнопку "СТОП" зупинка вимірювань часу й кута  має місце у момент чергового влучання світлового променя  до  віконця фотоелементу системи. Значення швидкості прецесії отримують діленням виміряного значення кута на відповідний час.

Підготування макету до вимірювань.

1. Перед підключенням макетної установки до штепселя мережі 220 В, 50 Гц перевірте початкові положення органів керування  установкою:

а) кнопка "СЕТЬ" повинна бути у ненатиснутому стані;

б) ручка "РЕГУЛИРОВКА СКОРОСТИ" повинна  бути  у  крайньому лівому положенні.

2. Підключіть макет до мережі 220 В, 50 Гц та натисніть на  кнопку "СЕТЬ". При цьому на цифрових  індикаторах  повинні  висвітлюватись нулі.

3. Ручкою "РЕГУЛИРОВКА СКОРОСТИ" за шкалою стрілочного  індикатора установіть бажане значення швидкості обертання ротора гіроскопа (рекомендовані значення 3000-6000 об/хв.).

    УВАГА! Обертати  ручку  "РЕГУЛИРОВКА  СКОРОСТИ"  треба  ДУЖЕ

ПОВІЛЬНО, щоб надати гіроскопові можливість збільшити  оберти. Якщо

це робити швидко, різко  збільшується  струм  у  обмотках  двигуна

гіроскопа, в наслідок чого псується запобіжник.

    УВАГА!!    КАТЕГОРИЧНО        ЗАБОРОНЯЄТЬСЯ        ТОРКАТИСЯ

ШВИДКООБЕРТАЮЧИХСЯ  ДЕТАЛЕЙ  ГІРОСКОПА.

Вимірювання.

1. Установіть вісь електричного двигуна гіроскопа у  горизонтальне положення. Змінюючи положення тягаря на лінійці, утворіть  обертаючий момент сил, під дією якого має місце прецесія  гіроскопа.

2. Для визначення кутової швидкості прецесії  треба  виміряти  кут повороту гіроскопа  та час t, потрібний на цей поворот. Для  цього натисніть кнопку "СБРОС". На цифровому табло  "ВРЕМЯ, с"  почнеться відлік часу, а на табло "УГ*10 (град)" - відлік кута повороту у  де-сятках градусів.

3. Щоб  припинити  дію  реєструючої  системи   натисніть    кнопку"СТОП". Система автоматично зупинить відлік після завершення повороту гіроскопа на  кут, кратний  10. (Наприклад, вам  треба  зробити відлік кута у 30 градусів. Натисніть кнопку "СТОП", коли табло  кута повороту висвітлює кут у 20 градусів. Таймер продовжуватиме рахувати поки не закінчиться поворот гіроскопа на кут 30 градусів).

Зробіть не менш за 5 вимірювань кутової  швидкості  прецесії  для

кожного встановленого значення моменту сили.

4. Визначіть кутову швидкість прецесії гіроскопа за формулою:

                                                               (рад/с).

5. Змінюючи положення тягаря на лінійці проведіть не менш 5  серій вимірювань кутової швидкості прецесії. Пересвідчіться в тому, що за умови стійкої роботи двигуна (   )  у  межах  похибок вимірювань виконується співвідношення

                                                                       (5)

6. Виходячи з умови (5), користуючись методом  найменших  квадратів, обчисліть значення моменту кількості руху L. Для  цього  збудуйте графік залежності кутової швидкості  прецесії    від  координати , яка визначається за лінійкою стержня гіроскопа:

                                                                         .                                         

Знайдіть  тангенс  кута  нахилу  інтерполюючої   прямої  лінії (коефіцієнт В інтерполюючого рівняння Y = BX + A ). Оскільки , то для залежності =  тангенс кута  нахилу дорівнює:

                                                                                     

Маса тягаря  грамів.

7. Користуючись отриманим значенням моменту імпульсу  та  значенням швидкості обертання ротора електричного  двигуна    знайдіть момент інерції гіроскопа:

                                                                              .

Швидкість обертання ротора двигуна відтворіть у рад / сек.

8. Зробіть оцінку похибок результатів вимірювань.

9. Користуючись частинним диференціюванням виведіть формулу підрахунку похибки вимірювань моменту інерції гіроскопа з урахуванням усіх складових та запишіть її до протоколу лабораторної роботи.

Контрольні запитання.

1. Що називають гіроскопом ?

2. Що таке момент імпульсу відносно точки та відносно  осі  ?  Яка  різниця між ними ?

3. В чому полягає головне припущення наближеної теорії гіроскопа ?

4. Що таке момент інерції гіроскопа ?

5. Які властивості гіроскопа  вам  відомі  ?  Як  вони  використовуються у техніці ?

6. Що називають прецесією гіроскопа ? У яких випадках вона виникає?

Література.

1. Матвєєв О.М. Механіка і теорія відносності, К: Вища школа, 1993, §35,  ст.174 - 176.

2. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Том1. Механика. 3-е изд. М: Наука, 1989, §§49-51, c.287-314.  


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

42192. Моделирование процесса измерения основных параметров волоконно-оптических трасс по рефлектометрическим данным 291.5 KB
  Если среда в которой распространяется импульс в данном случае оптическое волокно содержит неоднородности то на рефлектограмме появятся изломы и всплески. Как было сказано выше если неоднородности в волокне отсутствуют то рефлектограмма будет представлять из себя прямую с некоторым наклоном. Ступеньки говорит о наличии неоднородности на которой происходит поглощение мощности светового импульса1. Обычно такие неоднородности наблюдаются в местах сварки оптических волокон.
42193. Электрическая цепь с одним источником питания и смешанным соединением элементов 130 KB
  Основные теоретические положения Основными элементами любой электрической цепи являются: а источники электрической энергии электромашинные генераторы аккумуляторные батареи термоэлементы и т. С помощью закона Ома описывается связь между током напряжением и сопротивлением заданного участка цепи . Согласно 1му закону Кирхгофа алгебраическая сумма токов сходящихся в любом узле цепи равна нулю т. Так как при параллельном соединении все элементы находятся под одним и тем же напряжением то используя закон Ома это уравнение можно...
42194. Вимірювання опорів на постійному струмі 115 KB
  Ознайомлення з основними видами та методами вимірювання активних електричних опорів на постійному струмі. Дослідження методичних похибок основних методів вимірювання опорів та шляхи їх усунення. Завдання на вимірювання опорів кожен студент одержує від викладача.
42195. Калібрування і повірка засобів вимірювання тиску 86 KB
  1 Мета роботи Ознайомитись з будовою і принципом дії технічних засобів для вимірювання тиску. Набути практичних навиків при повірці і калібруванні систем вимірювання тиску.2 Програма роботи Під час заняття студент повинен самостійно ознайомитись з будовою і принципом дії технічних засобів які використовуються в системах для вимірювання тиску.
42196. Обробка результатів прямих багаторазових вимірювань 263.5 KB
  Вивчення методів і набуття практичних навиків в обробці результатів багаторазових вимірювань які містять випадкові похибки. Програма роботи Під час роботи студенти вимірюють активні опори за допомогою універсального цифрового вимірювача Ф 480 так щоб досягти при цьому одержання найбільш точних результатів шляхом визначення і виключення систематичних і випадкових похибок вимірювань параметра з рівноточними значеннями відліку. З цією метою використовується методика багатократного вимірювання однієї і тієї ж величини з...
42197. Вивчення будови, принципу дії амперметрів та вольтметрів. Визначення їх метрологічних характеристик 93 KB
  Якщо статична характеристика лінійна у=кх то коефіцієнт к називається чутливістю вимірювального приладу; ціна поділки ЗВ ; ціна одиниці найменшого розряду числа в показах цифрового приладу ; 2 похибки ЗВ: Абсолютна відносна приведена похибки ЗВ; Похибки поділяються на статичні які виникають при вимірюванні постійних величин динамічні які виникають при вимірюванні змінних величин. До числа характеристик похибок відноситься також варіація вихідного сигналу або варіація показів вимірювального приладу.8485]: метод порівняння з...
42198. Повiрка цифрових та аналогових омметрiв 144.5 KB
  Програма роботи У процесі підготовки до заняття студенту потрібно ознайомитись з методикою повірки омметрів згідно ГОСТ 9. Здійснити повірку цифрових універсальних омметрів типу В7 – 20 та В7 – 16А.1 Будова аналогових омметрів Омметрами називають прилади прямої дії які служать для безпосереднього вимірювання активних опорів. Перевага двохрамочних омметрів у тому що їх покази не залежать від напруги джерела живлення.
42199. Калібрування і повірка термометрів опору 286.5 KB
  Засвоїти методику отримання практичних навиків при проведенні досліджень динамічних характеристик термометрів опору при нагріванні і охолодженні повірці термометрів опору та калібруванні напівпровідникових термометрів опору термісторів.2 Програма роботи Під час заняття студент повинен ознайомитись з будовою та принципом дії термометрів опору. Визначити динамічну похибку термометрів опору типу ТСП і ТСМ.
42200. Систематичні похибки вимірювань та методи їх зменшення 71.5 KB
  У процесі заняття провести вимірювання різних електричних величин різними способами і засобами визначити систематичні похибки ввести поправки до результатів вимірювань обчислити дійсні значення вимірюваних величин і впевнитись у правильності отриманих значень.1 Систематичні похибки вимірювань та методи їх зменшення Процес пізнання матеріального світу відбувається через експериментальне визначення вимірювання кількісних оцінок фізичних величин що характеризують досліджувані процеси явища. Таким чином результат...