Principiul de funcționare și precesia giroscoapelor

Citiți ce estegiroscopul și cum funcționează. Studiați cuplul, regula mâinii drepte, articulația universală, cum arată precesia unui giroscop.

Giroscop - O roată sau un disc care se învârte în care axa este liberă pentru orice orientare.

Sarcina de invatare

Comparați conceptul de roată care se învârte cu un giroscop.

Puncte cheie

Cuplul este perpendicular pe planul creat de r și F. Strângeți degetele mâinii drepte în direcția lui F și degetul mare va îndrepta în direcția corectă.
Se dovedește că latura momentului de rotație converge cu momentul unghiular.
Giroscopul precedă în jurul axei verticale, deoarece cuplul la L este întotdeauna setat orizontal și perpendicular. Dacă giroscopul nu se rotește, atunci este dotat cu moment unghiular în direcția de rotație și se rotește în jurul axei orizontale.

Cuplul este efectul de rotație al forței, măsurat în newtoni pe metru.
Regula mâinii drepte este direcția vitezei unghiulare ω și a momentului L, care este indicată de degetul mare al mâinii drepte atunci când prindeți degetele în sensul de rotație.
O articulație universală este un dispozitiv pentru suspendarea a ceva (cum ar fi busola unei nave, astfel încât să rămână la nivel).

Un giroscop este un dispozitiv pentru măsurarea sau menținerea orientării pe baza principiilor momentului unghiular. Este o roată sau un disc care se învârte a cărui axă este liberă pentru orice orientare. Este practic fixat deoarece montarea in cardanul mentine cuplul extern la minim.

Cum functioneaza?

Să vedem cum funcționează un giroscop. Momentul de rotație: măsoară momentul unghiular după formula τ = ∆L/∆t.

Noi vedem astadirecția ΔL converge cu direcția cuplului care o creează. Direcția poate fi dedusă folosind regula mâinii drepte: degetele palmei sunt ciupite în direcția de rotație sau forță, iar degetul mare indică momentul unghiular sau viteza.

În (a) cuplul este perpendicular pe planul creat de r și F (aceasta este îndreptată degetul mare dacă vă îndoiți degetele în direcția F). În (b) se poate observa că direcția de rotație și momentul unghiular coincid

Roata de învârtire: Examinați roata și spițele bicicletei. La rotire, momentul unghiular este îndreptat spre partea stângă a fetei (în figură). Să zicem că repetăm mișcarea. Se așteaptă ca roata să se întoarcă în aceeași direcție pe care o influențează cu forță. Dar este chiar invers. Forțele creează un moment de rotație care este orizontal în raport cu persoana și acesta este cel care formează modificări ale momentului unghiular perpendicular pe cel inițial. Se pare că direcția lui L s-a schimbat, dar valoarea nu.

Acum direcția momentului unghiular este mai înclinată spre persoană decât înainte. Deci axa roții se deplasează perpendicular pe forța aplicată, nu în direcția așteptată.

În imaginea (a), fata ridică roata cu mâna dreaptă și împinge cu stânga. Acest lucru creează un cuplu direct către ea. Aceasta conduce la o modificare a momentului unghiular ΔL în aceeași direcție. În (b) este o diagramă vectorială care ilustrează adăugarea lui ΔL și L creând un nou moment de mișcare care arată mai mult spre fată. Roata se deplasează spre ea și iese în afară perpendicular pe forțele pe care le-a aplicat.

Giroscop: Comportamentul unui giroscop poate fi explicat în același mod. În momentul rotației, două forțe sunt activate asupra acestuia. Momentul de rotație este perpendicular pe momentul unghiular, decial doilea schimbă direcția, dar nu și magnitudinea. Dispozitivul precesează (precesia giroscopului) în jurul axei verticale, deoarece cuplul este întotdeauna orizontal și perpendicular pe L. Dacă nu se observă rotație pe giroscop, atunci acesta primește un moment unghiular în sensul de rotație (L = ΔL) și începe să se rotească în jurul axei orizontale.

În (a), vedeți că forțele asupra giroscopului rotativ sunt greutatea acestuia și forța de sprijin din suport. Ele creează un cuplu orizontal care introduce o modificare a unghiulară (ΔL). În (b) ΔL și L sunt adăugate pentru a forma un nou moment unghiular cu aceeași mărime, dar într-o direcție diferită. Prin urmare, giroscopul precesează în direcția indicată, scăpând de cădere

Aplicație

Giroscoapele acționează ca senzori de rotație. Prin urmare, ele sunt utilizate în sistemele de navigație inerțială în care busolele magnetice nu funcționează (ca în telescopul spațial Hubble) sau nu îndeplinesc precizia. De asemenea, sunt necesare pentru stabilizarea aeronavelor, cum ar fi elicopterele radiocontrolate sau vehiculele aeriene fără pilot.