RU205130U1

RU205130U1 - Installation for demonstration and study of the properties of a gyroscope

Info

Publication number: RU205130U1
Application number: RU2021104904U
Authority: RU
Inventors: Игорь Васильевич Сараев; Юрий Александрович Савицкий; Владимир Валерьевич Терехов
Original assignee: Игорь Васильевич Сараев; Юрий Александрович Савицкий; Владимир Валерьевич Терехов
Priority date: 2021-02-25
Filing date: 2021-02-25
Publication date: 2021-06-28

Abstract

Настоящее полезная модель относится к средствам обучения, а именно к научным приборам по теоретической механике, и может быть использована в высших технических учебных заведениях при изучении гироскопических явлений. Технический результат заявленного решения, достигаемым устройством, заключающийся в обеспечении постоянства угловой скорости вращения ротора гироскопа, что расширяет исследовательские возможности устройства, увеличивает точность и достоверность измерения параметров прецессии гироскопа, достигается за счет установки для демонстрации и исследования свойств гироскопа, включающей гироблок с вводами для подвода питания к гиромотору, установленный во внутренней рамке, шарнирно закрепленной во внешней рамке, при этом на валу между внешней рамкой и стойкой установлен вращающийся токосъемник, подвижные контакты которого соединены с вводами гироблока, а неподвижные – со стационарным источником питания. 2 ил.This useful model relates to teaching aids, namely to scientific instruments in theoretical mechanics, and can be used in higher technical educational institutions in the study of gyroscopic phenomena. The technical result of the claimed solution achieved by the device, which consists in ensuring the constancy of the angular speed of rotation of the gyroscope rotor, which expands the research capabilities of the device, increases the accuracy and reliability of measuring the parameters of the gyroscope precession, is achieved by installing for demonstrating and studying the properties of the gyroscope, including a gyro unit with inputs for power supply to the gyro, installed in the inner frame, hinged in the outer frame, while a rotating current collector is installed on the shaft between the outer frame and the rack, the movable contacts of which are connected to the inputs of the gyro unit, and the fixed contacts are connected to a stationary power source. 2 ill.

Description

Полезная модель относится к средствам обучения, а именно к научным приборам по теоретической механике, и может быть использована в высших технических учебных заведениях при изучении гироскопических явлений.The utility model relates to teaching aids, namely to scientific instruments in theoretical mechanics, and can be used in higher technical educational institutions in the study of gyroscopic phenomena.

Известен демонстрационный гироскоп, содержащий трехстепенной гироскоп с герметичным гироузлом с тремя гермовводами для подвода питания к статору гиромотора, конструктивно помещенным в наружную раму с двумя полуосями, на которой установлен разъем питания от внешнего источника, три выходных контакта которого соединены с тремя гермовводами гироузла, при этом на наружной раме размещен внутренний источник питания, а в неподвижной части разъема установлен нормально замкнутый контакт, состояние которого зависит от взаимного положения подвижной части разъема питания относительно неподвижной. (Купоросова Елена Серафимовна (RU), Кривошеев Сергей Валентинович (RU), Афанасьев Анатолий Юрьевич (RU), Заявка: 2011124560/12, 16.06.2011, Опубликовано: 27.09.2012 Бюл. №27).A demonstration gyroscope is known that contains a three-degree gyroscope with a hermetically sealed gyro unit with three pressure seals for supplying power to the stator of the gyro motor, structurally placed in an outer frame with two axle shafts, on which a power connector from an external source is installed, three output contacts of which are connected to three pressure sealed grommets of the gyro unit, while an internal power source is placed on the outer frame, and a normally closed contact is installed in the fixed part of the connector, the state of which depends on the relative position of the moving part of the power connector relative to the fixed one. (Elena Serafimovna Kuporosova (RU), Sergey Valentinovich Krivosheev (RU), Anatoly Yurievich Afanasiev (RU), Application: 2011124560/12, 16.06.2011, Published: 27.09.2012 Bul. No. 27).

Однако описанный прибор не предназначен для исследования количественных характеристик гироскопических явлений, не обеспечивает постоянство угловой скорости вращения гироскопа и необходимое время его работы из-за ограниченных возможностей внутреннего источника питания, размещенного на раме.However, the described device is not intended to study the quantitative characteristics of gyroscopic phenomena; it does not ensure the constancy of the angular rotation rate of the gyroscope and the required operating time due to the limited capabilities of the internal power source located on the frame.

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, снабженное 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. (Дубинин Владимир Валентинович (RU), Витушкин Вячеслав Валентинович (RU), Заявка: 2014154115/12, 30.12.2014, Опубликовано: 10.05.2016 Бюл. №13).A device for demonstrating and studying gyroscopic phenomena is known, containing a fixed base with a vertical stand, an external frame with a shaft mounted for rotation in a rack, a gyroscope made in the form of a horizontal axis and a disk fixed by means of bearings on this axis, a gyroscopic moment meter and a sensor angular speed of rotation of the outer frame, as well as a power supply and a signal processing unit of this sensor, equipped with an inner frame hinged in the outer frame, an electric drive for rotation of the outer frame and a sensor for the angular speed of rotation of the disk, and the axis of the gyroscope is hinged on the inner frame perpendicular to the axis of rotation of this frame relative to the outer, and the gyroscopic moment meter is made in the form of an elastic plate fixed on the inner frame, stops installed on the outer frame contacting the ends of the elastic plate, and a sensor fixed on the outer frame and kinematically connected to the inner The gyroscope axis is equipped with a lock for its position in the inner frame, which is also equipped with a lock for the position of this frame relative to the outer frame, while the gyroscopic moment sensor and the angular speed sensor of the disk rotation are electrically connected to the power supply and signal processing units. (Dubinin Vladimir Valentinovich (RU), Vitushkin Vyacheslav Valentinovich (RU), Application: 2014154115/12, 30.12.2014, Published: 10.05.2016 Bul. No. 13).

Однако в указанном устройстве гироскоп приводится во вращение с помощью вспомогательных средств, например ручной дрели с резиновым роликом и в дальнейшем вращается по инерции, постепенно замедляясь, что снижает точность измерения угловой скорости прецессии.However, in the specified device, the gyroscope is driven into rotation using auxiliary means, for example, a hand drill with a rubber roller and then rotates by inertia, gradually decelerating, which reduces the accuracy of measuring the angular rate of precession.

Задача, на решение которой направлено заявленное техническое решение заключается в активизации познавательной деятельности обучаемых, демонстрируя более точное совпадение экспериментальных результатов исследования с теоретическими расчетами.The task to be solved by the claimed technical solution is to enhance the cognitive activity of students, demonstrating a more accurate coincidence of the experimental results of the study with theoretical calculations.

Данная задача решается за счет того, что установка для демонстрации и исследования свойств гироскопа включает неподвижное основание с вертикальной стойкой, внешнюю рамку, закрепленную на валу, установленном с возможностью вращения в стойке, герметичный гироблок с тремя гермовводами для подвода питания к статору гиромотора, установленный во внутренней рамке, шарнирно закрепленной во внешней рамке. При этом на валу между внешней рамкой и стойкой установлен вращающийся токосъемник, подвижные контакты которого соединены с гермовводами гироблока, а неподвижные - со стационарным источником питания.This problem is solved due to the fact that the installation for demonstrating and studying the properties of the gyroscope includes a fixed base with a vertical stand, an external frame fixed on a shaft mounted with the possibility of rotation in the stand, a sealed gyro unit with three pressure seals for supplying power to the stator of the gyro motor, installed in an inner frame hinged to an outer frame. At the same time, a rotating current collector is installed on the shaft between the outer frame and the rack, the movable contacts of which are connected to the sealed grommets of the gyro unit, and the fixed contacts to a stationary power source.

Техническим результатом, достигаемым приведенной совокупностью признаков, является обеспечение постоянства угловой скорости вращения ротора гироскопа, что расширяет исследовательские возможности устройства, в частности увеличивает точность и достоверность измерения параметров прецессии гироскопа.The technical result achieved by the given set of features is to ensure the constancy of the angular speed of rotation of the gyroscope rotor, which expands the research capabilities of the device, in particular, increases the accuracy and reliability of measuring the parameters of the gyroscope precession.

Общий вид установки и конструктивное выполнение ее основных элементов приведены на фиг. 1.The general view of the installation and the structural implementation of its main elements are shown in Fig. one.

Установка для демонстрации и исследования свойств гироскопа состоит из неподвижного основания 1 с вертикальной стойкой 2, внешней рамки 3, закрепленной на валу 4, установленном с возможностью вращения в стойке, внутренней рамки 5, закрепленной во внешней рамке с возможностью поворота относительно оси 6. Во внутренней рамке установлен герметичный гироблок 7. На валу 4 закреплен вращающийся токосъемник 8, ротор которого вращается вместе с валом, а статор жестко связан со стойкой. Подвижные контакты вращающегося токосъемника соединены с гермовводами гироблока 9, а неподвижные - со стационарным источником питания 10. На внутренней рамке установлен рычаг 11, на который подвешиваются грузики 12. Конструкция рычага позволяет изменять расстояние от точки подвеса грузиков до центра масс гироскопа.The installation for demonstrating and investigating the properties of the gyroscope consists of a fixed base 1 with a vertical post 2, an outer frame 3 fixed on a shaft 4 rotatably mounted in a rack, an inner frame 5 fixed in an outer frame with the possibility of rotation about an axis 6. In the inner a sealed gyro unit 7 is installed on the frame. A rotating current collector 8 is fixed on the shaft 4, the rotor of which rotates with the shaft, and the stator is rigidly connected to the rack. The movable contacts of the rotating current collector are connected to the sealed leads of the gyro unit 9, and the fixed contacts are connected to the stationary power source 10. On the inner frame there is a lever 11, on which the weights are suspended 12. The design of the lever allows you to change the distance from the point of suspension of the weights to the center of mass of the gyroscope.

Установка работает следующим образом. После подачи питания и выхода гиромотора гироблока на рабочий режим, на рычаг подвешивают грузик известной массы. Сила веса грузика создает на плече рычага момент М относительно центра масс гироскопа, под действием которого начинается прецессия - движение внешней рамки в направлении вектора момента. Скользящие контакты токосъемника при этом обеспечивают непрерывную подачу питающего напряжения на гиромотор, не препятствуя вращению внешней рамки. Измеряя время одного оборота рамки Т, можно экспериментально определить угловую скорость прецессии

The installation works as follows. After the power is supplied and the gyro unit reaches the operating mode, a weight of a known mass is suspended on the lever. The weight force of the weight creates a moment M on the lever arm relative to the center of mass of the gyroscope, under the action of which precession begins - the movement of the outer frame in the direction of the moment vector. At the same time, the sliding contacts of the current collector provide a continuous supply of the supply voltage to the gyromotor, without interfering with the rotation of the outer frame. By measuring the time of one revolution of the frame T, one can experimentally determine the angular velocity of precession

.

...

Теоретическое значение угловой скорости прецессии можно вычислить в рамках элементарной теории гироскопа по формулеThe theoretical value of the angular rate of precession can be calculated within the framework of the elementary theory of the gyroscope by the formula

,

где J_z - момент инерции ротора гиромотора относительно оси вращения;where J _z is the moment of inertia of the gyromotor rotor relative to the axis of rotation;

ω₁ - угловая скорость вращения ротора гиромотор;ω ₁ - angular speed of rotation of the gyromotor rotor;

θ - угол нутации, приблизительно равный в данном случае 90°.θ is the nutation angle, in this case approximately equal to 90 °.

На фиг. 2 представлен график зависимости

от момента М (сплошная линия) и значения

, полученные опытным путем (точки). Сравнение величин угловой скорости прецессии, найденных экспериментально и вычисленных теоретически для различных значений моментов внешней силы, показывает их достаточно точное совпадение.FIG. 2 shows a graph of dependence

from the moment M (solid line) and the value

obtained empirically (points). Comparison of the values of the angular velocity of precession, found experimentally and calculated theoretically for different values of the moments of the external force, shows their fairly exact coincidence.

Claims

An installation for demonstrating and investigating the properties of a gyroscope, including a base with a vertical stand, an outer frame fixed on a shaft mounted for rotation in a rack, a gyro unit with inputs for supplying power to the gyro, mounted in an inner frame, hinged in an outer frame, while a rotating current collector is installed on the shaft between the outer frame and the rack, the movable contacts of which are connected to the inputs of the gyro unit, and the fixed contacts are connected to a stationary power source.