Прибор для демонстрации гироскопического эффекта

 

ПРИВОР ДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИИ ГИРОСКОПИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА, содержащ установленные на связанной с приво дом поворотной платформе две инерционные массы и механизм кинематической связи масс, отличаю щийся тем, что, с целью повыш ния наглядности, он имеет расположенную на платформе соосно с осью вращения центральную стойку, две диаметрально противолежащие относи Фиг.1 тельно нее периферийные стойки и два ограничителя поворота масс, платформа выполнена в виде диска с градусными шкалами, а инерционные массы - в виде маховиков, при этом механизм кинематической связи масс состоит из двух пар конических шестерен и двух П-образных рычагов, каждый из которых несет на одном конце втулку, расположенную в центральной стойке, указатель угла поворота маховиков - на другомконце,« расположенном в одной из периферийных стоек и в средней части - патрон , в котором расположена ось одного из маховиков, связанная с шестерней одной из пар, а оси двух других шестерен установлены во втулках.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК 50 0 09 В 23/06

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

$h аз M»

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3511868/28-12 (22) 18.11.82 (46) 30.10.84. Бюл. Р 40 (72).Л.А.Мазаев (53) 371.66 (088.8) .(56) 1.Авторское свидетельство СССР

Р 629546, кл. 0 09 В 23/10, 1977. (54)(57) ПРИБОР ДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИИ

ГИРОСКОПИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА, содержащий установленные на связанной с приводом поворотной платформе две инерционные массы и механизм кинематической связи масс, о т л и ч а ю— шийся тем, что, с целью повышения наглядности, он имеет расположенную на платформе соосно с осью ее вращения центральную стойку, две диаметрально противолежащие относительно нее периферийные стойки и два ограничителя поворота масс, платформа выполнена в виде диска с градусными шкалами, а инерционные массы — в ниде маховиков, при этом механизм кинематической связи масс состоит иэ двух пар конических шестерен и двух П-образных рычагов, каждый иэ которых несет на одном конце втулку, расположенную в центральной стойке, указатель угла поворота маховиков — на другом конце,расположенном в одной из периферийных стоек и в средней части — патрон, в котором расположена ось одного иэ маховиков, связанная с шестерней одной из пар, а оси двух .других ®

O шестерен установлены во втулках.

1121698

Изобретение относится к учебным приборам, в частности к устройствам для демонстрации, Известен прибор для демонстрации гироскопического эффекта, содержащий установленные на связанной с приводом поворотной платформе две инерционные массы и механизм кинематической связи масс f 1) .

Известный прибор не обеспечивает достаточной наглядности.демонстрации.

Цель изобретения — повышение наглядности.

Поставленная цель достигается тем, что прибор для демонстрации ги- 15 роскопического эффекта, содержащий установленные на связанной с приводом поворотной платформе две инерционные .массы и механизм кинематической связи масс, имеет расположен- 2П ную на платформе соосно с осью ее вращения центральную стойку, две диаметрально противолежащие относительно нее периферийные стойки и два ограничителя поворота масс, платфор- 25 ма выполнена в виде диска с градусными шкалами, а инерционные массы— в виде маховиков, при этом механизм кинематической связи масс состоит из двух пар конических шестерен и двух

П-образных рычагов, каждый из которых несет на одном конце втулку, расположенную в центральной стойке, указатель угла поворота маховиков — на другом конце, расположенном в одной из периферийных стоек и в средней части — патрон, в котором расположена ось одного иэ маховиков,связанная с шестерней одной из пар,а оси двух других шестерен установлены во 40 втулках.

На Фиг.1 и фиг.2 схематически представлен прибор, соответственно вид прямо и вид сверху, на Фиг.3 функциональная схема прибора; на фиг.4 — кривая зависимости угла й,— подъема маховиков от числа п1 оборотов платформы, на Фиг.5 — кривая зависимости числа n — оборотов плат1 формы от времени ; на фиг.б — функциональная схема в режиме гирогене- 50 рации," на Фиг.7 — кривая зависимости числа п îáîðîòîâ маховика от угла р и времени t гирогенерации. учебный прибор по физике содержит выполненную в виде диска платформу 1, на которой по диаметру платформы расположены три стойки 2, одна по центру, а две, диаметрально противолежащие относительно нее, периФерийные по краям, при этом стой- 60 ки 2 снабжены в верхней части отверстиями 3, два П-образных рычага 4, снабженные каждый с одной сто» роны указателем угла поворота 5,,а с другой стороны - втулкой 6, соос- 65 ной с указателем 5, а перпендикулярно указателю 5 и втулке 6 на рычагах 4 установлены патроны 7, в которые входят оси 8 маховиков 9.

На одном из маховиков 9 нанесена цветная метка 10.

На осях 8 маховиков установлены первые конические шестерни 11.

Втулки б рычагов 4 входят в отверстие 3 центральной стойки 2, а указатели 5 рычагов 4 — в отверстия 3 крайних стоек.

На третьей оси 12 вращения через втулки 6 установлены вторые коничес. кие шестерни 13, входящие в зацепление с первыми коническими шестернями 11.

На указателях 5 установлены параллельно осям 8 стрелки 14.

В плоскости передвижения стрелок 14 установлены две шкалы 15 с нониусом в градусах.

Радиально отверстиям 3 в крайних стойках 2 установлены фиксаторы 16, представляющие собой винты с барашками.

Ограничители 17 ограничивают отклонение осей 8 маховиков 9 более чем на 90 от вертикали. о

Платформа 1 установлена на шпинделе 18 центрифуги 19.

Центрифуга 19 соединена с регулятором 20 оборотов.

Регулятор 20 оборотов электрически связан со сторобоскопом 21. Центрифуга 19 через реле времени 22 подключена к электросети.

На предлагаемом учебном приборе демонтирируют гироскопический эффект, заключающийся в том, что если к вращающемуся гироскопу приложить пару сил, стремящуюся повернуть его около оси, перпендикулярной к.оси вращения,то гироскоп,действительно станет поворачиваться, но только вокруг третьей оси, перпендикулярной к первым двум.

Кроме того, демонстрируют гирогейерацию, которая заключается в том, что если к вращающемуся гироскопу приложить пару сил, стремящуюся повернуть его около оси, перпендикулярной к оси вращения, при заторможенном Кориолисовом ускорении, то энергия приложенных сил переходит на увеличение вращения гироскопа (термин — заторможенное Корнолисово ускорение означает воспрепятствование поворота гироскопа вокруг третьей оси, перпендикулярной к первым двум).

Для демонстрации гироскопического эффекта оператор вывинчивает на один, два оборота фиксаторы 16, а затем, намотав на ось 8 нить, тянет ее с нарастающей скоростью, раскручивая маховики по стрелке A (нить

1121698 условно не показана), при этом реле времени 22 переведено на интервал времени, равный бесконечности (т,e . реле закорочено и напряжение сети подано на центрифугу 19)..

Маховики 9 вращаются синхронно благодаря наличию кинематической связи, образованной первыми коническими шестернями 11,вторыми . коническими шестернями 13 и третьей осью 12 вращения. 10

Затем оператор регулятором 20 оборотов заставляет поворачиваться шпиндель 19 и платформу 1 по стрелке Б, что приводит к появлению Моментов M M u M -М на первом и вто- 15 ром маховиках 9, обусловленных Кориолисовыми ускорениями.

Под действием этих моментов маховики 9 начинают подниматься, при этом рычаги 4 начинают встречно по- -20 ворачиваться на валах 5 и втулках б.

Стрелка 14 по нониусу шкалы 15 указывает отклонение в градусах.

Для удобства наблюдения за положением маховиков 9 стробоскоп 21 дает вспышки света с частотой, равной числу п оборотов центрифуги, при этом стробоскоп 21 синхронизирован с центрифугой 19 через электрическую связь и регулятор 20 оборотов.

Число и< оборотов центрифуги 19 .оператор увеличивает ступенями, в результате чего наблюдатель видит, что чем выше число и< оборотов платформы 1 1 тем больше угол подъема а (g — угол между осью маховика и го- 35 ризонталью) маховиков (фиг.3) .

Записав числа и< оборотов и соответственные им углы подъема, на блюдатель строит график зависимости угла подъема от числа п оборотов 40 и убеждается, что кривая отображает обратноквадратичный закон (фиг.4).

Кроме того; наблюдатель видит, что довести угол подъема маховиков до значения 90 не представляется 45 возможным, что в свою очередь объясняет возникновение прецессии.

Демонстрирование прецессии производится следующим образом.

Оператор переводйт регулятор 20 50 оборотов в нулевое. положение, от ключает электрическую связь от стробоскопа 21 и вручную останавливает платформу 1, при этом маховики продолжают вращаться а угол подъема : 55 остается максимальным (приблизительно 80 ) .

В связи с тем, что к массам маховиков приложена сила земного притяжения (фиг.3), на маховики действует 60

Кориолисова сила F„» направленная перпендикулярно силе FH и оси 8 вра щения маховиков.

В результате этого оси 8 маховиков 9 начинают процессировать, т.е. 65 двигаться, описывая окружность по стрелке Б.

Таким образом, платформа 1 также начинает вращаться по стрелке Б (фиг.2) .

В это время оператор вручную подбирает на стробоскопе 21 частоту вспышек, равную числу п1 оборотов платформы, и через равные прьмежутки времени (например, через каждые

5 с) сообщает наблюдателю число оборотов платформы 1, опыт длится до полной остановки платформы 1.

После этого наблюдатель строит график зависимости числа и< оборотов платформы от времени t (фиг.5).

Кривая имеет линейный участок ВГ, отвечающий явлению: изохронная ротация — движение тела по круговым (эллипсным) орбитам с неизменным периодом обращения.

Участок OB на кривой фиг.5 определяется известным термином в технике — выбег системы на участок стабилизации ВГ.

Точка Г кривой фиг.5 отвечает моменту касания скоб 4 ограничителей 17, т.е. моменту, когда угол подъема маховиков 9 становится равным нулю.

На всем протяжении опыта уголМ уменьшается линейно до нуля.

Процессия объясняется резонансными свойствами гироскопа.

Гирогенерацию демонстрируют следующим образом.

Оператор фиксирует фиксаторами 1б положение рычагов 4 так, чтобы угол был равен 904- Ы =90, здесь угол .

P — угол приложения И noe — вектора угловой скорости движения оси 8 гироскопа маховика 9 от действия внешних сил, приложенных к оси 8 гироскопа (фиг.б), затем отключает электрическую связь между стробоскопом 21 и регулятором оборотов 20. выставля.ет на реле времени выдержку например t = 3 мин а на регуляторе 20

;устанавливает число оборотов, например 100.

После этого оператор, намотав нить на ось 8 маховика 9, раскручивает их с нарастающей скоростью.

Измерив исходное число оборотов ! маховиков 9 (например и = 500) с помощью стробоскопа 21 и цветной. метки 10, оператор запускает реле времени 22, вследствие чего включается центрифуга 19 и платформа 1 начинает вращаться по стрелке Б со скоростью 100 об/мин.

При этом на ось маховика начинает действовать Кориолисова сила гирогенерации F„, направленная вверх перпендикулярно оси 8 и внешней силе F „ (фиг.б).

Сила F », порождает моменты

М-M и И -М, (Фиг.1). но эти,момен

1121698 ты не могут повернуть маховики 9, поскольку рычаги 4 зафиксированы.

Это приводит к тому, что энергия внешних сил Fz>. переходит на увеличение числа оборотов (вращения) маховиков 9.

После истечения установленного времени вращения (3 мин) платформы реле времени 22 отключается и оператор быстро останавливает платформу, а затем стробоскопически измеряет полученное число и оборотов махови ков, которое стало теперь значительно больше (например n = 10000 об/мин)

Этот опыт проделывается несколько раз при одном и том же исходном 15 числе оборотов n = 500 об/мин и при этом же интервале времени t = 3 мин, но при разных углах Р у приложения — вектора угловой скорости движения оси гироскопа от действия внеш.20 них сил (практически удобно угол изменять через 15 ) .

Наблюдатель, построив график зависимости числа.п оборотов маховиков от Угла р пРиложения вов ° Убежда- 25 ется в том, что число п оборотов маховиков при гирогенерации изменяет-. ся по квадратичному закону, т;е чем больше угол, тем больше нарастает вращение маховиков.

Если исследоватЬ, как изменяется и число оборотов маховиков от времени t гирогенерации при неизменном угле, то окажется, что и в этом случае и число оборотов изменяется по квадратичному закону от времени гирогенерации t (фиг.7), при этом порядок демонстрации данного процесса аналогичен предыдущему опыту.

На предлагаемом учебном приборе 40 демонстрируют также явление гирогенерации при частичном торможении Кориолисовых сил F

Для этого оператор отвинчивает фиксаторы 16 на один-два оборота, 45 устанавливает регулятор оборотов 20 в нулевое положение, а Реле времени на бесконечность (т.е.: реле времени закорочено и напряжение сети приложено к центрифуге 15 ).

После подготовки прибора оператор запускает маховики известным способом с помощью нити по стрелке А, а затем увеличивает регулято.Ром 20 оборотов вращение платформы 1 по стрелке Б так, чтобы угол подъема g, маховиков 9 был равен 45, при о этом стробоскоп 21 освещает прибор один раз за оборот платформы 1.

Поэтому наблюдатель видит происходящий процесс в одном положении прибора.

Вращение маховиков 9 будет длительным, пока существует вращение платформы.

Действительно (фиг.3 и фиг.6 ), на вращающийся маховик 9 действуют две внешние силы: Ньютонова сила ч, которая обеспечивает (оказывает противодействие) частичное торможение

Кориолисовой силы Г„,, и сила Гзл, приводящая во вращеййе платформу 1.

Если вращение маховика 9 уменьшается за счет трения, то это приводит к уменьшению Кориолисовой силы „о „, в результате чего Ньютонова сила Гн отклоняет маховик 9, увеличивая исходный угол Р приложения

Йп, но как видно из предыдущих опйтов, увеличение угла Р приводит к увеличению п числа оборотов маховика 9 (йиг,7), а увеличение числа л оборотов маховика приводит к увеличению Кориолисовой силыГ„,, которая .приводит угол Р к исходному и т.д, Поскольку процессия и гирогенерация два явления, не отделимых друг от друга, то эта совокупность объясняет высокую -стабильность вращения не только маховика, но и стабильность прецессионного движения маховика.

Применение предлагаемого учебного прибора по физике раскрывает физическую сущность непрестанного вращения земли вокруг своей оси и высокую суточную стабильность, которая заклю-. чается в том, что при вращении земли вокруг солнца, солнце изменяет положение земной оси в пространстве, т.е. создает вектор Я,ц,, а также оказывает частичное торможение Кориолисовой силе Г„, т.е. непрестанное вращение земли вокруг своей оси подчинено явлению гирогенерации.

Использование изобретения позволяет повысить: эффективность обучения.

1121698

Фиг. 2

f

z.J

В е Е%

Ь

+b

Ь . u n - uuCnO ОООРООтЬ бюсищФарюю

Aa.»

1121698

% 1 !

Ф

-Юрек

Фиг.5

Фиг,b ф

5 и ф ф

Ф г

Р- угг7я щюясяения яаМ

t-ВРАЛ ггфогенераццц

Аа. 7

Составитель Г.ужвий

Редактор Н.Горват Техред С.Легеза Корректор О.Тигор

Заказ 7986/39 Тираж 446 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4!/5

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4