Демонстрационный гироскоп

Изобретение относится к области наглядных учебных пособий, в частности, демонстрационных моделей по физике, механике, астрономии, гироскопии, мехатронике и т.д. Демонстрационный гироскоп содержит подпятник, колоколообразное тело и заостренный стержень, при этом тело и стержень выполнены из немагнитных материалов и соединены с возможностью перемещения острия вдоль оси симметрии тела и фиксации их взаимного положения. Кроме того, гироскоп снабжен источником магнитного момента, вектор которого совпадает с динамической осью гироскопа.

Изобретение относится к наглядным пособиям, устройствам и моделям по теоретической механике, физике, гироскопии, астрономии, географии и т.д. для демонстрации гироскопических явлений и качественного анализа динамики быстровращающихся осесимметричных механических систем (в частности твердых тел), свободных или стесненных связями.

Аналогами предлагаемого изобретения являются многочисленные симметричные тела, обладающие достаточным кинетическим моментом. Это обычная юла, яйцеобразный, китайский и другие волчки, кубари, призмы. (Магнус К. Гироскоп. Теория и применение. - М.: Мир, 1974. - 524 с.). Все они широко известны как детские игрушки. С помощью юлы (и подобных ей игрушек) можно показать устойчивое вращение симметричного статически неустойчивого тела вокруг динамической оси и ее прецессию в направлении, совпадающем с направлением его собственного вращения.

Общими недостатками названных моделей является ограниченность их демонстрационных возможностей, выражающаяся в том, что:

- обнаруживаемый с их помощью гироскопический эффект вызывается лишь действием силы тяжести;

- их центры масс тел при вращении всегда расположены над опорной плоскостью;

- прецессия тел по направлению всегда совпадает с направлением их собственного вращения.

Известен также демонстрационный гироскоп (волчок), который принят нами в качестве прототипа (Патент РФ №2156502, кл. G 09 В 23/06, А 63 Н 1/10. 2000). Волчок содержит подпятник, колоколообразное тело и заостренный стержень, причем колоколообразное тело и заостренный

стержень соединены с возможностью перемещения острия вдоль оси симметрии колоколообразного тела и фиксации их взаимного положения.

Недостатком этого волчка являются ограниченные демонстрационные возможности, так как он используется, как и другие аналоги, только лишь для показа действия сил тяготения на вращающиеся тела.

Технической задачей изобретения является расширение демонстрационных возможностей гироскопа.

Технический результат достигается тем, что в известном демонстрационном гироскопе, содержащем подпятник, колоколообразное тело и заостренный стержень, при этом тело и стержень соединены с возможностью перемещения острия вдоль оси симметрии тела и фиксации их взаимного положения, согласно изобретению он снабжен источником магнитного момента, вектор которого совпадает с динамической осью гироскопа, а стержень и тело изготовлены из немагнитных материалов. В качестве носителя магнитного момента может быть постоянный магнит или контур с током.

Наличие магнитного момента р источника приводит к тому, что при наличии внешнего магнитного поля с индукцией В, в котором вращается (или вынужден вращаться) гироскоп (волчок), приводит к тому, что на него, кроме момента силы тяжести, будет действовать дополнительный вращающий момент р×В - как результат действия внешнего магнитного поля на магнитное поле источника. Этот дополнительный момент будет уменьшать или увеличивать момент силы тяжести гироскопа, что приводит как к изменению модуля скорости прецессии, так и ее направлению.

Использование отдельного носителя магнитного момента и изготовление гироскопа из немагнитных материалов дает возможность создания дополнительного магнитного момента разных знаков.

Такой гироскоп служит для демонстрации устойчивого вращения и прецессии осесимметричных тел и их систем в полях, в которых действуют

только гравитационные или магнитные силы, а также в полях совместного действия этих сил.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где показан один из вариантов принципиальной конструктивной схемы гироскопа.

Гироскоп состоит из колокообразного тела 1, заостренного стержня 2, подпятника 3 и носителя магнитного момента 4, выполненного в виде постоянного кольцевого магнита. Колоколообразное тело 1 и стержень 2 выполнены из немагнитных материалов.

Устройство работает (применяется) следующим образом

I. Случай вращения волчка в гравитационном поле

1. В качестве гироскопа Лагранжа.

1а. Стержень острием устанавливают на подпятник 3 и фиксируют его положение относительно колоколообразного тела 1 так, чтобы центр масс гироскопа находился выше точки контакта острия с подпятником 3 (точки опоры), что проверяется фактом статической неустойчивости гироскопа относительно точки опоры. Не нарушая контакта стержня с подпятником 3, гироскоп приводится в быстрое вращение. Гироскоп устойчиво вращается и прецессирует в направлении его собственного вращения (прямая прецессия).

1б. Стержень острием устанавливают на подпятник 3 и фиксируют его положение относительно колоколообразного тела 1 так, чтобы центр масс гироскопа находился ниже точки контакта острия с подпятником 3 (точки опоры), что проверяется фактом статической устойчивости гироскопа относительно точки опоры. Не нарушая контакта стержня с подпятником 3, гироскоп приводится в быстрое вращение, устойчиво вращается и прецессирует в направлении, обратном его собственному вращению (обратная прецессия).

2. В качестве гироскопа Эйлера.

Этот случай отличается от Лагранжева лишь тем, что положение стержня относительно колоколообразного тела фиксируется так, чтобы центр масс волчка совпадал с точкой его опоры. Теперь волчок устойчиво

вращается так, что его динамическая ось остается неподвижной в пространстве, а прецессия отсутствует.

II. Случай магнитного силового поля.

Для исключения действия гравитационных сил положение стержня относительно тела фиксируется так, что точка опоры и центр масс гироскопа совпадают (случай гироскопа Эйлера). Гироскоп будет устойчиво вращаться и прецессировать как гироскоп Лагранжа. Прямая прецессия будет наблюдаться, если векторы магнитного момента гироскопа и магнитной индукции поля антипараллельны и обратная прецессия, если они сопараллельны.

III. Случай совместного действия гравитационных и магнитных сил.

Для демонстрации влияния такого «смешанного» силового поля на вращение и прецессию гироскопа проводятся опыты, описанные выше для гироскопов Лагранжа и Эйлера. Теперь величины и знак (направление) прецессии определяются по формуле

Демонстрационный гироскоп, содержащий подпятник, колоколообразное тело и заостренный стержень, при этом тело и стержень соединены с возможностью перемещения острия вдоль оси симметрии тела и фиксации их взаимного положения, отличающийся тем, что он снабжен источником магнитного момента, вектор которого совпадает с динамической осью гироскопа, а стержень и тело изготовлены из немагнитных материалов.