Учебный прибор для демонстрации гироскопического эффекта
Полезная модель относится к области учебного оборудования для вузов технического профиля, а именно позволяет наблюдать и исследовать гироскопические свойства винта воздушного судна, имитировать реальные условия полета воздушного судна. Технический результат - упрощение прибора, удобство в эксплуатации, достижение дидактических целей (наглядность рассматриваемых физических явлений и их понимание). Учебный прибор содержит основание, на котором установлена поворотная несущая рама с рукояткой; модель самолета, жестко установленную на оси, проходящей через торцы крыльев; электродвигатель, ось вращения которого перпендикулярна опорной оси поворотной несущей рамы; трехлопастный винт, установленный на оси электродвигателя; штангу и крюк для подвески грузов, имитирующих внешние силы; токосъемное устройство для подключения электродвигателя к внешнему источнику питания.
Полезная модель относится к учебным пособиям по аэродинамике, физике, теоретической механике, в частности, учебным моделям для демонстрации гироскопических свойств винта одномоторного самолета и демонстрации вынужденной прецессии, и может быть использована в высших и средних учебных заведениях технического профиля при проведении лекционных, практических и лабораторных занятий, при обучении управлению воздушными транспортными средствами.
Известен учебный прибор для демонстрации вынужденной прецессии и гироскопического эффекта, который содержит диск, установленный на оси, опорные подшипники, поворотную раму, основание, стойку, рукоятку [патент РФ 
2151426, МПК G09B 23/06, 1999].
Недостатком данного учебного прибора является необходимость раскрутки диска вручную с помощью заводного механизма в виде шкива и бечевки, что не позволяет обеспечить большую угловую скорость вращения диска и снижает удобство его эксплуатации. Расположение диска на оси, связанной с поворотной рамой, ограничивает возможность демонстрации вынужденной прецессии в вертикальной плоскости и снижает наглядность при использовании учебного прибора.
Известен учебный прибор для демонстрации гироскопического эффекта [патент РФ 2051422, МПК G09B 23/08, 1995], содержащий диск, установленный на оси, закрепленной в поворотной раме из двух вращающихся в одной плоскости частей, заводным механизмом диска служит винтовая пружина.
Основными недостатками указанного устройства выступают сложность регулирования и измерения частоты вращения диска с помощью пружинного заводного механизма и изменение упругих свойств пружины в процессе эксплуатации.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является учебный прибор для демонстрации гироскопического эффекта [патент РФ 2028011, МПК G09B 23/08, 1992], который содержит диск, установленный на оси и имеющий держатель из двух коаксиальных колец, расположенных в вертикальной плоскости. Ось связана с поворотной рамой с рукояткой, рама крепится на основании. На оси крепится сменный груз.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата, при использовании устройства, принятого за прототип, относится необходимость раскрутки диска от внешнего двигателя, недостаточная наглядность и сложность восприятия в ходе учебного процесса из-за наличия большого количества механических деталей установки. Имитация действия внешней силы с помощью пружины неудобна при практическом использовании и не позволяет количественно определять величину силы.
Задачей полезной модели является создание учебного прибора в виде модели одномоторного винтового самолета для демонстрации гироскопического эффекта, имитации реальных условий полета и изучения способов управления воздушным судном, что приведет обучаемых к пониманию физических явлений, формированию правильных профессиональных двигательных навыков на самолетах первичного обучения.
Техническим результатом полезной модели является упрощение конструкции прибора, что повышает удобство его в эксплуатации, обеспечивает достижение дидактических целей (наглядность рассматриваемых физических явлений, понимание).
Указанный технический результат достигается тем, что учебный прибор для демонстрации гироскопического эффекта содержит основание, на котором закреплена поворотная несущая рама с рукояткой, имеющая две степени свободы.
Особенностью является то, что он содержит модель самолета, установленную на оси, проходящей через торцы крыльев, связанной с поворотной несущей рамой подвижным соединением, на оси электродвигателя, вмонтированного в корпус модели самолета, расположен трехлопастный винт с увеличенным моментом инерции, выполненный с возможностью его вращения в вертикальной плоскости, штангу и крюк для подвески грузов, имитирующих внешние силы, токосъемное устройство, состоящее из двух частей, одна из которых (щеткодержатель) жестко закреплена на основании прибора, а вторая (кольцевой коллектор) - закреплена на стойке, расположенной в опорно-торцевом подшипнике.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1 и 2 представлена схема учебного прибора в двух проекциях.
Учебный прибор для демонстрации гироскопического эффекта содержит закрепленную на основании 1 опорную стойку 2, установленную на опорно-торцевом подшипнике (на чертеже не показан), поворотную несущую раму 3, имеющую две степени свободы, с рукояткой 4. Модель самолета 5 жестко установлена на оси 6, проходящей через торцы крыльев. Подвижное соединение оси 6 с поворотной несущей рамой 3, позволяющее модели самолета 5 поворачиваться в вертикальной плоскости относительно основания 1, обеспечивается через опорные подшипники 7 и 8. Электродвигатель 9 установлен в корпус модели самолета 5, ось вращения 10 электродвигателя 9 перпендикулярна опорной стойке 2 поворотной несущей рамы 3 и совпадает со строительной осью модели самолета 5. Трехлопастный винт 11 с увеличенным моментом инерции, установленный на оси электродвигателя 9, выполнен с возможностью его вращения в вертикальной плоскости. Токосъемное устройство (не показано на чертеже) для подключения электродвигателя 9 к внешнему источнику питания с помощью тонких многожильных проводов малого сечения, проложенных по внутренней стороне поворотной несущей рамы 3, находится на основании 1 учебного прибора. Токосъемное устройство состоит из двух частей, одна из которых (щеткодержатель) жестко закреплена на основании прибора, а вторая (кольцевой коллектор) - закреплена на стойке 2, расположенной в опорно-торцевом подшипнике. Имитация внешней силы осуществляется с помощью тарированных грузов, которые подвешиваются на штанге 12, закрепленной на крыле модели самолета 5, и крюке 13 на оперении модели самолета 5.
Учебный прибор работает следующим образом.
Для обеспечения двух степеней свободы модель самолета 5 с помощью подшипников 7 и 8 закреплена на поворотной несущей раме 3 с помощью оси 6, проходящей через торцы крыльев, которая связана с поворотной несущей рамой 3 подвижным соединением. Модель самолета 5 может вращаться относительно поперечной оси 6 в вертикальной плоскости (возможность имитировать тангаж); поворотная несущая рама 3 с помощью опорно-торцевого подшипника имеет независимое движение и имеет возможность вращаться в горизонтальной плоскости относительно массивного основания 1 (имитируется рысканье самолета).
Регулируемое электрическое напряжение от внешнего источника питания подводится к электродвигателю 9 с помощью проводников малого сечения, проложенных по внутренней стороне поворотной несущей рамы 3 и подключенных через токосъемное устройство. Токосъемное устройство, представляет собой две части: одна со щеткодержателями жестко закреплена на массивном основании 1; щетки соприкасаются с его второй частью (кольцевым коллектором), закрепленной на стойке 2, расположенной в опорно-торцевом подшипнике. Токосъемное устройство предоставляет свободное вращение стойке 2 поворотной несущей рамы 3 прибора.
Для демонстрации гироскопических явлений трехлопастный винт 11 с увеличенным моментом инерции приводится во вращательное движение при подаче на электродвигатель 9 напряжения от внешнего источника питания. Угловая скорость вращения трехлопастного винта 11 регулируется за счет изменения напряжения на электродвигателе 9. Изменение режима работы электродвигателя 9 позволяет имитировать функции рычага управления двигателем самолета.
Устанавливается определенная угловая скорость вращения трехлопастного винта 11 модели самолета 5, при этом модель будет занимать горизонтальное положение. После раскрутки трехлопастного винта 11 с увеличенным моментом инерции модели самолета 5 для демонстрации гироскопического эффекта и имитации пикирования или кабрирования воздушного судна при выполнении поворота в горизонтальном полете с помощью рукоятки 4 поворотной несущей раме 3 сообщают вынужденное прецессионное движение в горизонтальной плоскости. Имитация действия внешних сил осуществляется путем подвешивания тарированных грузов за крюк 13 на хвостовом оперении модели самолета 5 или на штангу 12, находящуюся на конце крыла модели самолета 5.
При подвешивании груза к штанге 12, закрепленной на крыле модели самолета 5 или на крюке 13 на хвостовом оперении имитируется отклонение руля высоты воздушного судна в реальном полете, при этом поворотная несущая рама 3 с моделью самолета 5 приходит во вращательное движение в горизонтальной плоскости.
Учебный прибор позволяет демонстрировать гироскопические свойства винта одномоторного самолета, влияние момента внешних сил и угловой скорости вращения винта на угловое положение модели воздушного судна.
Предлагаемое устройство - учебный прибор для демонстрации гироскопического эффекта - компактен, безопасен, транспортабелен, технически и технологически реализуем, надежен в работе, не требует больших экономических затрат при изготовлении его на производстве, удобен в эксплуатации, допускает модернизацию, обладает высокой степенью наглядности. В отличии от механических моделей гироскопов и компютерных моделей механическая модель реального самолета для демонстрации гироскопических явлений лучше воспринимается психологически, позволяет на модели многократно воспроизводить соответствующие условия полета воздушного судна и совершенствовать обучаемым координацию движений глаз-рука-нога при подготовке к полетам на самолетах первичного обучения.
Учебный прибор для демонстрации гироскопического эффекта - модель одномоторного винтового самолета - может заинтересовать учебные заведения технического профиля, особенно авиационные, так как представляет собой реальный технический объект, позволяет манипулировать элементами модели, имитировать условия реального полета одномоторного винтового самолета. Учебный прибор можно эффективно использовать во время занятий по аэродинамике, физике, теоретической механике, технике выполнения полета в высших и средних учебных заведениях технического профиля.
Учебный прибор для демонстрации гироскопического эффекта, содержащий основание, на котором закреплена поворотная несущая рама, имеющая две степени свободы, и рукоятка, отличающийся тем, что он содержит модель самолета, установленную на оси, проходящей через торцы крыльев, связанной с поворотной несущей рамой подвижным соединением, на оси электродвигателя, вмонтированного в корпус модели самолета, расположен трехлопастный винт с увеличенным моментом инерции, выполненный с возможностью его вращения в вертикальной плоскости, штангу, закрепленную на крыле модели самолета, и крюк на оперении модели самолета для подвески грузов, имитирующих внешние силы, токосъемное устройство для подключения электродвигателя к внешнему источнику питания с помощью тонких многожильных проводов малого сечения, проложенных по внутренней стороне поворотной несущей рамы, состоящее из двух частей, одна из которых жестко закреплена на основании прибора, а вторая закреплена на стойке, расположенной в опорно-торцевом подшипнике.
