剛體陀螺儀

      陀螺儀（gyroscope）的原理就是，一個(gè)旋轉(zhuǎn)物體的旋轉(zhuǎn)軸所指的方向在不受外力影響時(shí)，是不會(huì)改變的。人們根據(jù)這個(gè)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(shí)也是利用了這個(gè)原理。輪子轉(zhuǎn)得越快越不容易倒，因?yàn)檐囕S有一股保持水平的力量。陀螺儀在工作時(shí)要給它一個(gè)力，使它快速旋轉(zhuǎn)起來，一般能達(dá)到每分鐘幾十萬轉(zhuǎn)，可以工作很長(zhǎng)時(shí)間。然后用多種方法讀取軸所指示的方向，并自動(dòng)將數(shù)據(jù)信號(hào)傳給控制系統(tǒng)。 

　　在現(xiàn)實(shí)生活中，陀螺儀發(fā)生的進(jìn)動(dòng)是在重力力矩的作用下發(fā)生的。 

 

 

結(jié)構(gòu)

　　從力學(xué)的觀點(diǎn)近似的分析陀螺的運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以把它看成是一個(gè)剛體，剛體上有一個(gè)萬向支點(diǎn)，而陀螺可以繞著這個(gè)支點(diǎn)作三個(gè)自由度的轉(zhuǎn)動(dòng)，所以陀螺的運(yùn)動(dòng)是屬于剛體繞一個(gè)定點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)。更確切地說，一個(gè)繞對(duì)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(dòng)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(jī)、磁滯電機(jī)、三相交流電機(jī)等拖動(dòng)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(dòng)自由度的結(jié)構(gòu))；

　　(3) 附件(是指力矩馬達(dá)、信號(hào)傳感器等)。 

 

歷史

 

   1850年法國(guó)的物理學(xué)家萊昂•傅科（J.Foucault）為了研究地球自轉(zhuǎn)，首先發(fā)現(xiàn)高速轉(zhuǎn)動(dòng)中的轉(zhuǎn)子（rotor），由于慣性作用它的旋轉(zhuǎn)軸永遠(yuǎn)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。

 

特性

 

   陀螺儀被用在飛機(jī)飛行儀表的心臟地位，是由于它的兩個(gè)基本特性：一為定軸性（inertia or rigidity），另一是逆動(dòng)性（precession），這兩種特性都是建立在角動(dòng)量守恒的原則下。

1、定軸性 

當(dāng)陀螺轉(zhuǎn)子以極高速度旋轉(zhuǎn)時(shí)，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(gè)固定的方向，同時(shí)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(dòng)性

在運(yùn)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(yùn)動(dòng)，而是順著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)向前90度垂直施力方向運(yùn)動(dòng)，此現(xiàn)象即是逆動(dòng)性。

逆動(dòng)性的大小也有三個(gè)影響的因素：

1）外界作用力愈大，其逆動(dòng)性也愈大； 

2）轉(zhuǎn)子的質(zhì)量慣性矩（moment of inertia）愈大，逆動(dòng)性愈��； 

3）轉(zhuǎn)子的角速度愈大，逆動(dòng)性愈小； 

而逆動(dòng)方向可根據(jù)逆動(dòng)性原理取決于施力方向及轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向。

 

實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

 

直觀地演示旋轉(zhuǎn)剛體（陀螺）在外力作用下的進(jìn)動(dòng)和不受外力矩時(shí)角動(dòng)量方向保持不變的特性。

 

實(shí)驗(yàn)原理

 

繞旋轉(zhuǎn)對(duì)稱軸以很大的角速度轉(zhuǎn)動(dòng)的剛體就是陀螺。如果沒有外力矩的作用，陀螺轉(zhuǎn)動(dòng)軸的方向（角動(dòng)量方向）將保持不變，稱為定軸性。迅速轉(zhuǎn)動(dòng)的陀螺若受到外力矩（如重力力矩）的作用時(shí)，它并不是立即傾倒，而是使其轉(zhuǎn)動(dòng)軸繞著某一固定軸緩緩轉(zhuǎn)動(dòng)，即角動(dòng)量在外力矩的作用下進(jìn)動(dòng)。

由于摩擦力、空氣阻力等因素的存在，陀螺繞對(duì)稱軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度將逐漸變小，最后傾倒下來。

 

實(shí)驗(yàn)儀器

 

1.電機(jī)驅(qū)動(dòng)，演示陀螺的原理，兩環(huán)三自由度，演示定向特性，附電機(jī)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(jī)安裝在陀螺儀里面.

6.轉(zhuǎn)速：0-5000轉(zhuǎn)/分可調(diào)

 

實(shí)驗(yàn)步驟

演示角動(dòng)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(jī)電源接線。

2、接通電機(jī)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(dòng)，無異常振動(dòng)雜音。

3、調(diào)電壓至最大值，約12V；待轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，即可觀察陀螺轉(zhuǎn)動(dòng)特性。

4、當(dāng)陀螺高速旋轉(zhuǎn)起來時(shí)，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(dòng)，可觀察到陀螺轉(zhuǎn)軸的角度始終不變。

 

注意事項(xiàng)

 

1、陀螺飛輪高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，不可用手觸摸或試圖阻止其轉(zhuǎn)動(dòng)。

2、儀器處于高速旋狀態(tài)下，須有人照看。