ОПРЕДЕЛЕНИЕ УГЛОВОЙ СКОРОСТИ ПРЕЦЕССИИ И МОМЕНТА ИНЕРЦИИ ГИРОСКОПА
Лабораторная работа № 1.8.
Цель работы: ознакомление с гироскопом, проверка гироскопического эффекта, исследование прецессии гироскопа, определение угловой скорости прецессии и момента инерции гироскопа.
Принадлежности: установка для изучения гироскопических эффектов.
Описание гироскопа
Гироскоп представляет собой массивное симметричное тело, вращающееся с большой угловой скоростью вокруг своей оси симметрии. Эту ось называют осью гироскопа.
|
Рассмотрим гироскоп с одной неподвижной точкой О на его оси. (рис.8.1). Точку 0 называют точкой опоры, или центром подвеса гироскопа. Если центр подвеса гироскопа совпадает с его центром масс, то результирующий момент сил тяжести всех частей гироскопа
относительно 0 равен нулю. Такой гироскоп называется уравновешенным. После приведения уравновешенного гироскопа в быстрое вращение его ось будет сохранять свое направление в пространстве и сопротивляться всяким попыткам изменить это направление. Смещая груз m в ту или иную сторону от положения равновесия, вызываем разбаланс системы, в результате чего возникает вращающий момент
, обусловленный действием силы тяжести mg груза. Величина вращающего момента
будет равна
,
где m– масса уравновешивающего груза;
- смещение груза m от положения, соответствующего равновесию
системы маховик – груз;
- угол наклона оси гироскопа к вертикали.
Направление момента
перпендикулярно силе тяжести mg и вектору момента импульса гироскопа L, т.е.
| |
В случае вращающегося гироскопа его момент импульса
за время
получит приращение
, (8.1)
совпадающее по направленное с вектором
, т.е. перпендикулярно
. В результате этого вертикальная плоскость, проходящая через ось гироскопа, повернется на угол
. Поскольку при этом взаимное расположение векторов
и
не изменится, то вектор
будет все время перпендикулярным к
. В итоге ось гироскопа будет непрерывно поворачиваться вокруг вертикали, совершая конусообразное движение. Такое движение называется прецессией. Угловая скорость прецессии равна
, (8.2)
где поворот оси гироскопа
вокруг вертикальной оси может быть представлен как
.
Если учесть, что
и
, то придем к следующей формуле:
. (8.3)
Из выражения для
видно, что скорость прецессии не зависит от угла наклона оси гироскопа по отношению к горизонту.
Порядок выполнения работы
1. Внимательно ознакомиться с установкой (рис.8.2). Перемещая уравновешивающий груз 1 вдоль линейки 2, добиться горизонтального положения оси гироскопа.
2.
|
Включить прибор нажав клавишу СЕТЬ и убедиться в том, что все индикаторы 3 и 4 высвечивают цифру 0. Плавно вращая ручку 5 – РЕГУЛЯТОР СКОРОСТИ, установить число оборотов двигателя равным n =3000 об/ мин. При достижении заданного числа оборотов убедиться в отсутствии прецессии и заметить положение груза на линейке (
).
3. Установить груз 1 на максимальное расстояние
от точки опоры С гироскопа. Убедиться в том, что ось гироскопа сохраняет горизонтальное положение, но появляется её вращение вокруг вертикали, т.е. прецессия. Нажав
клавишу СБРОС, включить
индикаторы времени и угла поворота. После поворота оси гироскопа на некоторый угол (около 30 – 1000) нажать клавишу СТОП. Записать показания времени t, угла поворота
и заметить направление прецессии. Аналогичным образом, смещая каждый раз груз на 1 см по линейке, произвести не менее 10 измерений соответствующих значений
и t. Результаты измерений занести в табл. 8.1.
Таблица 8.1
| Номер опыта | n 0 = 3000 об / мин | ||||||||
м
|
0
|
,
рад
|
c
|
1/с
|
м
|
,
H·м
|
,
Дж·с
|
,
кг·м2
| |
| … … |
4. По полученным данным определить угловую скорость прецессии
(угол
выразить в радианах) и построить график зависимости угловой скорости прецессии от величины внешнего момента силы
,
где
.
5. Из графика определить момент инерции гироскопа по формуле
, где 
6. Поместив груз в произвольное положение на линейке (кроме
) и не меня его положения, исследовать зависимость, скорости прецессии
от скорости вращения гироскопа
вокруг своей оси. Результаты измерений занести в табл. 8.2. Построить график зависимости
.
Таблица 8.2
| Номер опыта |
0
|
, рад
|
с
|
, 1/с
| N , об/с |
,1/с
|
| … n |
Контрольные вопросы
1. Как устроен гироскоп и каковы его основные свойства? Применения гироскопа.
2. Что называется прецессией? От чего зависит угловая скорость прецессии?
3. В чем заключается явление гироскопического эффекта?
4. При вращении твердого тела вокруг неподвижной оси куда направлены векторы момента силы, угловой скорости и углового ускорения?
5. Что называется моментом импульса?
м
0
,
рад
c
1/с
м
,
H·м
,
Дж·с
,
кг·м2
с
, 1/с
,1/с