RU161802U1

RU161802U1 - DEVICE FOR DEMONSTRATION AND RESEARCH OF GYROSCOPIC PHENOMENA

Info

Publication number: RU161802U1
Application number: RU2014154115/12U
Authority: RU
Inventors: Владимир Валентинович Дубинин; Вячеслав Валентинович Витушкин
Priority date: 2014-12-30
Filing date: 2014-12-30
Publication date: 2016-05-10

Abstract

1. Устройство для демонстрации и исследования гироскопических явлений, содержащее неподвижное основание с вертикальной стойкой, внешнюю рамку с валом, установленным с возможностью вращения в стойке, гироскоп, выполненный в виде горизонтальной оси и диска, закрепленного посредством подшипников на этой оси, измеритель гироскопического момента и датчик угловой скорости вращения внешней рамки, а также блок питания и блок обработки сигналов этого датчика, отличающееся тем, что оно снабжено внутренней рамкой, шарнирно закрепленной во внешней рамке, электроприводом вращения внешней рамки и датчиком угловой скорости вращения диска, причем ось гироскопа шарнирно закреплена на внутренней рамке перпендикулярно оси поворота этой рамки относительно внешней, а измеритель гироскопического момента выполнен в виде закрепленной на внутренней рамке упругой пластины, установленных на внешней рамке упоров, контактирующих с концами упругой пластины, и датчика, закрепленного на внешней рамке и кинематически связанного с внутренней рамкой, ось гироскопа снабжена фиксатором ее положения во внутренней рамке, которая также снабжена фиксатором положения этой рамки относительно внешней рамки, при этом датчик гироскопического момента и датчик угловой скорости вращения диска электрически связаны с блоками питания и обработки сигналов.2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве датчика угловой скорости вращения диска применен электромагнитный датчик, а датчик гироскопического момента выполнен в виде резистора постоянного тока - потенциометра.3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве блока регистрации и обработки сигналов1. A device for demonstrating and studying gyroscopic phenomena, comprising a fixed base with a vertical strut, an external frame with a shaft mounted for rotation in the strut, a gyroscope made in the form of a horizontal axis and a disk mounted by bearings on this axis, a gyroscopic moment meter and the sensor of the angular velocity of rotation of the external frame, as well as the power supply and signal processing unit of this sensor, characterized in that it is equipped with an internal frame pivotally mounted in the external the frame, the electric rotation of the outer frame and the sensor of the angular velocity of rotation of the disk, and the axis of the gyroscope is pivotally mounted on the inner frame perpendicular to the axis of rotation of this frame relative to the external, and the gyroscopic moment meter is made in the form of an elastic plate fixed on the inner frame, mounted on the outer frame of the stops contacting with the ends of the elastic plate, and the sensor mounted on the outer frame and kinematically connected with the inner frame, the axis of the gyroscope is equipped with a lock of its position in the inner frame, which is also equipped with a position lock for this frame relative to the outer frame, while the gyroscopic moment sensor and the angular disk rotation speed sensor are electrically connected to the power supply and signal processing units. 2. The device according to claim 1, characterized in that an electromagnetic sensor is used as a sensor of the angular velocity of rotation of the disk, and the gyroscopic moment sensor is made in the form of a DC resistor - a potentiometer. 3. The device according to claim 1, characterized in that as a unit for recording and processing signals

Description

Область техникиTechnical field

Полезная модель относится к учебно-исследовательскому оборудованию по теоретической механике и может быть использована в высших технических учебных заведениях при изучении гироскопических явлений.The utility model relates to educational and research equipment in theoretical mechanics and can be used in higher technical educational institutions in the study of gyroscopic phenomena.

Уровень техникиState of the art

Известно устройство для демонстрации и исследования гироскопических явлений, содержащее неподвижное основание с вертикальной стойкой, внешнюю рамку с валом, установленным с возможностью вращения в стойке, гироскоп, выполненный в виде горизонтальной оси и диска, закрепленного посредством подшипников на этой оси, измеритель гироскопического момента и датчик угловой скорости вращения внешней рамки, а также блок питания и блок обработки сигналов этого датчика (см. Авторское свидетельство СССР №1174964, кл. G09B 23/06, 1984 г.).A device for the demonstration and study of gyroscopic phenomena, comprising a fixed base with a vertical strut, an external frame with a shaft mounted for rotation in the strut, a gyroscope made in the form of a horizontal axis and a disk mounted by bearings on this axis, a gyroscopic moment meter and a sensor the angular velocity of rotation of the outer frame, as well as the power supply and signal processing unit of this sensor (see USSR Author's Certificate No. 1174964, class G09B 23/06, 1984).

Однако в указанном устройстве угловая скорость прецессии задается вручную и не измеряется, что не обеспечивает точность и постоянство ее задания. Гироскопические давления на опоры оси гироскопа оцениваются визуально и не достаточно точно, и не регистрируется угловая скорость собственного вращения гироскопа вокруг его оси симметрии, что не позволяет экспериментально определить величину гироскопического момента и его зависимость от скоростей собственного вращения и прецессии. Кроме того, постоянное закрепление обоих концов оси гироскопа ограничивает возможности демонстрации действия гироскопических сил. Все это существенно сужает учебные и исследовательские возможности устройства при демонстрации и исследовании гироскопических явлений.However, in the specified device, the angular velocity of the precession is set manually and is not measured, which does not ensure the accuracy and constancy of its task. Gyroscopic pressures on the supports of the gyroscope axis are estimated visually and not accurately enough, and the angular velocity of the gyroscope’s own rotation around its axis of symmetry is not recorded, which does not allow us to experimentally determine the value of the gyroscopic moment and its dependence on the velocities of its own rotation and precession. In addition, the constant fixing of both ends of the axis of the gyroscope limits the possibility of demonstrating the action of gyroscopic forces. All this significantly narrows the educational and research capabilities of the device in the demonstration and study of gyroscopic phenomena.

Раскрытие полезной моделиUtility Model Disclosure

Технический результат полезной модели заключается в обеспечении дополнительной степени свободы гироскопу - возможности его поворота в вертикальнойThe technical result of the utility model is to provide an additional degree of freedom to the gyroscope - the possibility of its rotation in vertical

плоскости, а также в обеспечении точной регулировки и измерения угловой скорости прецессии и гироскопического момента, что расширяет исследовательские возможности устройства, в частности как гиротахометра, а также повышает информативность и точность демонстрации и исследования гироскопических явлений.plane, as well as providing accurate adjustment and measurement of the angular velocity of the precession and the gyroscopic moment, which expands the research capabilities of the device, in particular as a gyrotachometer, and also increases the information content and accuracy of the demonstration and study of gyroscopic phenomena.

Указанный технический результат достигается тем, что устройство для исследования гироскопических явлений, содержащее неподвижное основание с вертикальной стойкой, внешнюю рамку с валом, установленным с возможностью вращения в стойке, гироскоп, выполненный в виде горизонтальной оси и диска, закрепленного посредством подшипников на этой оси, измеритель гироскопического момента и датчик угловой скорости вращения внешней рамки, а также блок питания и блок обработки сигналов этого датчика, согласно полезной модели, снабжено внутренней рамкой, шарнирно закрепленной во внешней рамке, электроприводом вращения внешней рамки и датчиком угловой скорости вращения диска, причем ось гироскопа шарнирно закреплена на внутренней рамке перпендикулярно оси поворота этой рамки относительно внешней. При этом измеритель гироскопического момента выполнен в виде закрепленной на внутренней рамке упругой пластины, установленных на внешней рамке упоров, контактирующих с концами упругой пластины и датчика, закрепленного на внешней рамке и кинематически связанного с внутренней рамкой; ось гироскопа снабжена фиксатором ее положения во внутренней рамке, которая также снабжена фиксатором положения этой рамки относительно внешней рамки, причем датчик гироскопического момента и датчик угловой скорости вращения диска электрически связаны с блоками питания и обработки сигналов. Кроме того, в качестве датчика угловой скорости вращения диска применен электромагнитный датчик, датчик гироскопического момента выполнен в виде резистора постоянного тока - потенциометра, а в качестве блока регистрации и обработки сигналов датчиков применен персональный компьютер с аналого-цифровым преобразователем.The specified technical result is achieved by the fact that the device for the study of gyroscopic phenomena, comprising a fixed base with a vertical strut, an external frame with a shaft mounted for rotation in the strut, a gyroscope made in the form of a horizontal axis and a disk mounted by bearings on this axis, a meter gyroscopic moment and the angular velocity sensor of the outer frame, as well as the power supply and signal processing unit of this sensor, according to the utility model, is equipped with an internal a hinge pivotally mounted in the outer frame, an electric drive for rotating the outer frame and a sensor for the angular velocity of rotation of the disk, and the axis of the gyroscope is pivotally mounted on the inner frame perpendicular to the axis of rotation of this frame relative to the outer one. In this case, the gyroscopic moment meter is made in the form of an elastic plate fixed on the inner frame, mounted on the outer frame of the stops contacting with the ends of the elastic plate and a sensor fixed on the outer frame and kinematically connected with the inner frame; the axis of the gyroscope is equipped with a latch for its position in the inner frame, which is also equipped with a latch for the position of this frame relative to the outer frame, and the gyroscopic moment sensor and the angular velocity sensor of the disk are electrically connected to the power supply and signal processing units. In addition, an electromagnetic sensor was used as a sensor for the angular velocity of rotation of the disk, the gyroscopic moment sensor was made in the form of a DC resistor - a potentiometer, and a personal computer with an analog-to-digital converter was used as a unit for recording and processing sensor signals.

Перечень фигурList of figures

На фиг. 1-3 представлен общий вид устройства.In FIG. 1-3 shows a General view of the device.

На фиг. 4 показана конструкция измерителя гироскопического момента.In FIG. 4 shows the design of a gyroscopic moment meter.

На фиг. 5 приведен вид устройства при работе с освобожденной от фиксации осью гироскопа.In FIG. 5 shows a view of the device when working with the axis of the gyroscope freed from fixation.

Осуществление полезной моделиUtility Model Implementation

Общий вид устройства и конструктивное выполнение его основных элементов приведены на фиг. 1-5 (здесь блок электропитания и блок записи и обработки сигналов датчиков показаны условно на фиг. 1 и не показаны на других фиг.).A general view of the device and the structural implementation of its main elements are shown in FIG. 1-5 (here, the power supply unit and the recording and signal processing unit of the sensors are shown conditionally in Fig. 1 and not shown in other Figs.).

Устройство для демонстрации и исследования гироскопических явлений содержит неподвижное основание 1, с вертикальной стойкой 2, внешнюю рамку 3 с валом 4, установленным с возможностью вращения в стойке, и внутреннюю рамку 5, закрепленную на внешней рамке с возможностью поворота относительно оси 6 и снабженную фиксатором 7 ее положения в рамке 3. Во внутренней рамке установлен гироскоп, выполненный в виде диска 8, закрепленного посредством подшипников на горизонтальной оси 9, которая посредством шарнира 10 и фиксатора 11 закреплена на внутренней рамке перпендикулярно оси 6.A device for demonstrating and studying gyroscopic phenomena comprises a fixed base 1, with a vertical strut 2, an outer frame 3 with a shaft 4 mounted for rotation in the strut, and an inner frame 5 mounted on the outer frame with the possibility of rotation about axis 6 and equipped with a latch 7 its position in the frame 3. In the inner frame there is a gyroscope made in the form of a disk 8, mounted by bearings on a horizontal axis 9, which, by means of a hinge 10 and a latch 11, is mounted on the inner frame perpendicular to axis 6.

Устройство снабжено электроприводом вращения внешней рамки, включающим в себя установленные в основании электродвигатель 12 и редуктор 13, и электромагнитным датчиком угловой скорости вращения диска 8, состоящим из постоянного магнита 14, закрепленного на диске и катушки 15, установленной на оси 9. Аналогичную конструкцию имеет датчик угловой скорости вращения вала 4, - он состоит из неподвижной катушки 16 и постоянных магнитов 17, закрепленных на диске 18, установленном на валу 4.The device is equipped with an electric drive of rotation of the outer frame, which includes an electric motor 12 and gearbox 13 installed in the base, and an electromagnetic sensor of the angular velocity of rotation of the disk 8, consisting of a permanent magnet 14 mounted on the disk and a coil 15 mounted on the axis 9. The sensor has a similar design the angular velocity of rotation of the shaft 4, it consists of a fixed coil 16 and permanent magnets 17, mounted on a disk 18 mounted on the shaft 4.

Измеритель гироскопического момента включает в себя упругую пластину (пружину) 19, закрепленную на рамке 5, установленных на рамке 3 упоров 20 в виде роликов, контактирующих с концами упругой пластины, и датчика, в качестве которого применен потенциометр 21, закрепленный на рамке 3 и кинематически, посредством зубчатых шестерен 22, 23, связанный с рамкой 5. Кроме того, устройство снабжено блоком 24 питания датчиков и электродвигателя и блоком 25 обработки сигналов датчиков, в качестве которого применен персональный компьютер.The gyroscopic moment meter includes an elastic plate (spring) 19, mounted on a frame 5, mounted on the frame 3 of the stops 20 in the form of rollers in contact with the ends of the elastic plate, and a sensor, which is used as a potentiometer 21, mounted on the frame 3 and kinematically by means of gears 22, 23, connected with the frame 5. In addition, the device is equipped with a sensor and electric motor power supply unit 24 and a sensor signal processing unit 25, which is used as a personal computer.

Работает устройство следующим образом.The device operates as follows.

Вначале перед проведением экспериментов с помощью фиксаторов 7 и 11 закрепляют рамку 5 во внешней рамке 3 и диск 8 гироскопа в рамке 5, соответственно. После этого сообщают диску 8 угловую скорость ω собственного вращения вокруг оси z (cm. фиг. 2) с помощью вспомогательного устройства, например ручной дрели с резиновым роликом, контактирующим с наружной поверхностью диска. Следует отметить, что вследствие большого по величине момента инерции диска и незначительности трения в его подшипниках, угловая скорость ω будет снижаться с течением времени очень медленно, что должно положительно отразиться на точности проводимых исследований.First, before conducting experiments using the clamps 7 and 11, frame 5 is fixed in the outer frame 3 and the gyro disk 8 in frame 5, respectively. After that, the disk 8 is informed of the angular velocity ω of its own rotation around the z axis (see FIG. 2) using an auxiliary device, for example, a hand drill with a rubber roller in contact with the outer surface of the disk. It should be noted that due to the large moment of inertia of the disk and the insignificance of friction in its bearings, the angular velocity ω will decrease very slowly over time, which should positively affect the accuracy of the studies.

Затем освобождают фиксатор 7 внутренней рамки 5, с помощью блока 24 включают электродвигатель 12 и через редуктор 13 приводят рамку 3 во вращение вокруг вертикальной оси z₁ (см. фиг. 1) с выбранными направлением и величиной угловой скорости ω₁. Для диска 8 это вращение является переносным движением - прецессией, в результате чего появляется гироскопическая пара сил с моментом L_г, величина которого определяется соотношением:Then release the latch 7 of the inner frame 5, use the block 24 to turn on the electric motor 12, and through the gearbox 13 bring the frame 3 into rotation around the vertical axis z ₁ (see Fig. 1) with the selected direction and angular velocity ω ₁ . For disk 8, this rotation is a portable movement - precession, as a result of which a gyroscopic pair of forces appears with a moment L _g , the value of which is determined by the ratio:

L_г=J_zωω₁sinθ,L _g = J _z ωω ₁ sinθ,

где J_z - момент инерции диска 8 относительно оси Oz, θ - угол между осями Oz и Oz₁ - угол нутации, приблизительно равный в данном случае 90°.where J _z is the moment of inertia of the disk 8 relative to the axis Oz, θ is the angle between the axes Oz and Oz ₁ is the nutation angle, approximately equal to 90 ° in this case.

Гироскопический момент L_г согласно правилу Н.Е. Жуковского направлен относительно оси Оу таким образом, чтобы при совмещении по направлению осей Oz и Oz₁ направления угловых скоростей ω и ω₁ совпали. Поскольку ось 9 гироскопа в данном случае закреплена фиксатором 11 в рамке 5, то поворачиваться вокруг оси Оу будет сама эта рамка. При ее повороте пружина 19 упирается в один из роликов 20 и деформируется (изгибается). Сила деформации пружины создает момент относительно оси Оу, равный гироскопическому моменту и в силу малости деформации практически пропорциональный углу поворота рамки 5.Gyroscopic moment L _g according to the rule N.E. Zhukovsky is directed relative to the Oy axis in such a way that, when the Oz and Oz ₁ axes are aligned, the angular velocity directions ω and ω ₁ coincide. Since the axis of the gyroscope 9 in this case is fixed by the latch 11 in the frame 5, this frame itself will rotate around the axis Oy. When it is rotated, the spring 19 abuts against one of the rollers 20 and deforms (bends). The force of deformation of the spring creates a moment relative to the axis Oy, equal to the gyroscopic moment and, due to the smallness of the deformation, is almost proportional to the angle of rotation of the frame 5.

Поворот рамки 5 через зубчатую передачу 22-23 с повышающим коэффициентом передачи передается подвижному контакту потенциометра 21 и соответствующий электрический сигнал поступает в блок 25 обработки сигналов датчиков. Полученные таким путем экспериментальные данные отображаются на экране дисплея персонального компьютера или печатаются на бумажном носителе.The rotation of the frame 5 through a gear transmission 22-23 with an increasing transmission coefficient is transmitted to the movable contact of the potentiometer 21 and the corresponding electrical signal is supplied to the sensor signal processing unit 25. The experimental data obtained in this way are displayed on a display screen of a personal computer or printed on paper.

Таким образом, регистрируемые показания потенциометра будут с достаточно высокой точностью пропорциональны гироскопическому моменту. Это позволяет в данном устройстве проводить количественные исследование зависимости гироскопического момента от угловой скорости прецессии. С другой стороны, в силу пропорциональности гироскопического момента угловой скорости прецессии данное устройство может быть применено для демонстрации и исследования его как прибора для измерения угловой скорости - гиротахометра.Thus, the recorded readings of the potentiometer will be proportionally accurate to the gyroscopic moment. This allows in this device to conduct quantitative studies of the dependence of the gyroscopic moment on the angular velocity of the precession. On the other hand, due to the proportionality of the gyroscopic moment of the angular velocity of the precession, this device can be used to demonstrate and study it as a device for measuring the angular velocity - gyrotachometer.

Другой вариант работы устройства реализуется, если освободить фиксатор 11 оси 9 гироскопа и сообщить ему собственное и прецессионное вращения в одном направлении по отношению к осям z и z₁ например, против часовой стрелки (см. фиг. 5). Тогда под действием гироскопического момента гироскоп будет поворачиваться вокруг оси шарнира 10 и подниматься вверх. Следует отметить, что в этом случае необходимо закрепить рамку 5 во внешней рамке 3 фиксатором 7 во избежание чрезмерной деформации пружины 19 под действием силы тяжести гироскопа. Такой вариант работы устройства позволяет весьма наглядно демонстрировать действие гироскопических сил, их значительность и необходимость учета этих сил в практике машиностроения.Another variant of the device’s operation is realized if you release the lock 11 of the axis 9 of the gyroscope and tell it its own and precession rotation in one direction with respect to the axes z and z _1, for example, counterclockwise (see Fig. 5). Then, under the action of the gyroscopic moment, the gyroscope will rotate around the axis of the hinge 10 and rise up. It should be noted that in this case, it is necessary to fix the frame 5 in the outer frame 3 by the latch 7 in order to avoid excessive deformation of the spring 19 under the action of the gravity of the gyroscope. This embodiment of the device allows you to very clearly demonstrate the effect of gyroscopic forces, their significance and the need to take these forces into account in engineering practice.

Таким образом, предложенное устройство для демонстрации и исследования гироскопических явлений позволяет повысить надежность, точность и информативность исследований. По этим причинам данное устройство позволяет существенно повысить качество изучения вопросов динамики гироскопов в высших технических учебных заведениях.Thus, the proposed device for the demonstration and study of gyroscopic phenomena can improve the reliability, accuracy and information content of the research. For these reasons, this device can significantly improve the quality of the study of the dynamics of gyroscopes in higher technical educational institutions.

Claims

1. A device for demonstrating and studying gyroscopic phenomena, comprising a fixed base with a vertical strut, an external frame with a shaft mounted for rotation in the strut, a gyroscope made in the form of a horizontal axis and a disk mounted by bearings on this axis, a gyroscopic moment meter and the sensor of the angular velocity of rotation of the external frame, as well as the power supply and signal processing unit of this sensor, characterized in that it is equipped with an internal frame pivotally mounted in the external the frame, the electric rotation of the outer frame and the sensor of the angular velocity of rotation of the disk, and the axis of the gyroscope is pivotally mounted on the inner frame perpendicular to the axis of rotation of this frame relative to the external, and the gyroscopic moment meter is made in the form of an elastic plate fixed on the inner frame, mounted on the outer frame of the stops contacting with the ends of the elastic plate, and the sensor mounted on the outer frame and kinematically connected with the inner frame, the axis of the gyroscope is equipped with a lock of its position in the inner frame, which is also equipped with a position lock for this frame relative to the external frame, while the gyroscopic moment sensor and the angular velocity sensor of the disk are electrically connected to the power supply and signal processing units.

2. The device according to claim 1, characterized in that an electromagnetic sensor is used as a sensor of the angular speed of rotation of the disk, and the gyroscopic moment sensor is made in the form of a DC resistor - a potentiometer.

3. The device according to claim 1, characterized in that a personal computer with an analog-to-digital converter is used as a unit for recording and processing sensor signals.