Прибор для демонстрации гироскопического эффекта

СОЮЗ СОВЕТСКИСОЦИАЛИСТИЧЕСНРЕСПУБЛИК 11 0 09 В 23/О ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЬПИИ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(54)(57) ПРИБОР ДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИИГИРОСКОПИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА, содержащийустановленные на связанной с приводом поворотной платформе две инерционные массы и механизм кинематической связи масс, о т л и ч а ю -щ и й с я тем, что, с целью повышения наглядности, он имеет расположенную на платформе соосно с осью еевращения центральную стойку, дведиаметрально противолежащие относи.эо избы тельно 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 ЕФ шестерен установлены во втулках.Изобретение относится к учебнымприборам, в частности к устройствамдля демонстрации,Известен прибор для демонстрациигироскопического эффекта, содержащий установленные на связанной сприводом поворотной платформе двеинерционные массы и механизм кинематической связи масс1 .Известный прибор не обеспечиваетдостаточной наглядности.демонстрации.Цель изобретения - повышение наглядности.Поставленная цель достигаетсятем, что прибор для демонстрации гироскопического эффекта, содержащийустановленные на связанной с приводом поворотной платформе две инерционные,массы и механизм кинематической связи масс, имеет расположенную на платформе соосно с осью еевращения центральную стойку, дведиаметрально противолежащие относительно нее периферийные стойки и дваограничителя поворота масс, платформа выполнена в виде диска с градусными шкалами, а инерционные массы -в виде маховиков, при этом механизмкинематической связи масс состоит издвух пар конических шестерен и двухП-образных рычагов, каждый из которыхнесет на одном конце втулку, расположенную в центральной стойке, указатель угла поворота маховиков - надругом конце, расположенном в однойиз периферийных стоек и в среднейчасти - патрон, в котором расположена ось одного иэ маховиков, связанная с шестерней одной из пар,а осидвух других шустери установлны Во 40втулках.На Фиг,1 и фиг,2 схематическипредставлен прибор, соответственновид прямо и вид сверху, на Фиг.3функциональная схема прибора; наФиг 4 - кривая зависимости угла й, -подъема маховиков от числа п оборотов платформы, на Фиг.5 - криваязависимости числа и - оборотов плат 1формы от времени ; на фиг.б - функциональная схема в режиме гирогенерации," на Фиг.7 - кривая зависимостичисла иоборотов маховика от угла /3и времени 1 гирогенерации.учебный прибор по Физике содержитвыполненную в виде диска платформу 1, на которой по диаметру платформы расположены три стойки 2, одна по центру, а две, диаметральнопротиволежащие относительно нее,периФерийные по краям, при этом стойки 2 снабжены в верхней части отверстиями 3, два П-образных рычага 4, снабженные каждый с одной стороны указателем угла поворота 5 ас другой стороны - втулкой 6, соос ной с указателем 5, а перпендикулярно указателю 5 и втулке 6 на рычагах 4 установлены патроны 7, в ко.торые входят оси 8 маховиков 9.На одном из маховиков 9 нанесенацветная метка 10.На осях 8 маховиков установленыпервые конические шестерни 11.Втулки б рычагов 4 входят в отверстие 3 центральной стойки 2, ауказатели 5 рычагов 4 - в отверстия 3 крайних стоек.На третьей оси 12 вращения черезвтулки 6 установлены вторые конические шестерни 13, входящие в зацепле.ние с первыми коническими шестернями 11,На указателях 5 установлены параллельно осям 8 стрелки 14.В плоскости передвижения стрелок 14 установлены две шкалы 15 снониусом в градусах.Радиально отверстиям 3 в крайнихстойках 2 установлены Фиксаторы 16,представляющие собой винты с барашками.Ограничители 17 ограничивают отклонение осей 8 маховиков 9 болеечем на 90 от вертикали.оПлатформа 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 приборедемонтирируют гироскопический эфФект, заключающийся в том, что еслик вращающемуся гироскопу приложитьпару сил, стремящуюся повернуть егооколо оси, перпендикулярной к.осивращения,то гироскоп,действительностанет поворачиваться, но только вокруг третьей оси, перпендикулярнойк первым двум.Кроме того, демонстрируют гирогейерацию, которая заключается в том,что если к вращающемуся гироскопуприложить пару сил, стремящуюся повернуть его около оси, перпендикулярной к оси вращения, при заторможенном Кориолисовом ускорении, тоэнергия приложенных сил переходитна увеличение вращения гироскопа(термин - заторможенное Корнолисовоускорение означает воспрепятствование поворота гироскопа вокруг третьей оси, перпендикулярной к первымдвум),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 А ( нитьусловно не показана), при этом реле времени 22 переведено на интервал времени, равный бесконечности (т,е. 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, 10Затем оператор регулятором 20 оборотов заставляет поворачиваться шпиндель 19 и платформу 1 по стрелке Б, что приводит к появлению моментов М-М и М-Мна первом и вто ром маховиках 9, обусловленных Кориолисовыми ускорениями.Под действием этих моментов маховики 9 начинают подниматься, при этом рычаги 4 начинают встречно поворачиваться 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 п оборотов центрифуги 19 оператор увеличивает ступенями, в результате чего наблюдатель видит, что чем выше число п оборотов платформы 1 1 тем больше угол подъема М (к - угол между осью маховика и го ризонталью) маховиков (Фиг.З) .Записав числа п оборотов и соответственные им углы подъема, на блюдатель строит график зависимости угла подъема К 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 максимальнымприблизительно 80)В связи с тем, что к массам маховиков приложена сила земного притяжения (фиг.З), на маховики действует 60 Кориолисова сила Г, направленная перпендикулярно силе Р и оси 8 вра щения маховиков.В результате этого оси 8 маховиков 9 начинают процессировать, т.едвигаться, описывая окружность пострелке Б.Таким образом, платформа 1 такженачинает вращаться по стрелке Б(фиг.2)В это время оператор вручную подбирает на стробоскопе 21 частотувспышек, равную числу п 1 оборотовплатформы, и через равные промежутки времени (например, через каждые5 с) сообщает наблюдателю число оборотов платформы 1, опыт длится дополной остановки платформы 1,После этого наблюдатель строитграфик зависимости числа п оборотов платформы от времени 1 (фиг,5).Кривая имеет линейный участок ВГ,отвечающий явлению: изохронная ротация - движение тела по круговым(эллипсным) орбитам с неизменным периодом обращения,Участок ОВ 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 подъемамаховиков 9 становится равным нулю.На всем протяжении опыта уголМуменьшается линейно до нуля.Процессия объясняется резонансными свойствами гироскопа .Гирогенерацию демонстрируют следующим образом,Оператор фиксирует фиксаторами 16положение рычагов 4 так, чтобы уголбыл равен 904- Ю =90 , здесь угол .- угол приложения я ив - вектораугловой скорости движения оси 8 гироскопа маховика 9 от действия внешних сил, приложенных к оси 8 гироскопа (фиг.б), затем отключает электрическую связь между стробоскопом 21и регулятором оборотов 20. выставляет на реле времени выдержку напримео= 3 мин а на регуляторе 20,устанавливает число оборотов, например 100.После этого оператор, намотавнить на ось 8 маховика 9, раскручивает их с нарастающей скоростью.Измерив исходное число оборотовмаховиков 9 (например и = 500) спомощью стробоскопа 21 и цветной,метки 10, оператор запускает релевремени 22, вследствие чего включается центрифуга 19 и платформа 1 начинает вращаться по стрелке Б соскоростью 100 об/мин,При этом на ось маховика начинает действовать Кориолисова сила ги"рогенерации У, направленнаявверх перпендикулярно оси 8 и внешней силе Рц, (фиг.б).Сила Укор, порождает моменты М-М и М-М, (Фиг.1). но эти,.моменты не могут повернуть маховики 9,поскольку рычаги 4 зафиксированы.Это приводит к тому, что энергиявнешних сил Р . переходит на увели.чение числа оборотов (вращения) маховиков 9.После истечения установленноговремени вращения (3 мин) платформыреле времени 22 отключается и оператор быстро останавливает платформу,а затем стробоскопически измеряет 10полученное число и оборотов маховиков, которое стало теперь значительно больше (например и = 10000 об/мин)Этот опыт проделывается несколько раз при одном и том же исходном 15числе оборотов и = 500 об/мин и приэтом же интервале времени С = 3 мин,но при разных углах , Р приложения - вектора угловой скорости движения оси гироскопа от действия внеш ъ 0них сил (практически удобно угол изменять через 15 ) .Наблюдатель, построив график зависимости числа и оборотов маховиковот Углаприложения Йо, Убеждается в том, что число и оборотов маховиков при гирогенерации изменяет-.ся по квадратичному закону, т;е чембольше угол , тем больше нарастает вращение маховиков.Если исследоватЬ, как изменяется и число оборотов маховиков отвремени с гирогенерации при неизменном угле, то окажется, что ив этом случае и число оборотов изменяется по квадратичному закону отвремени гирогенерации 1 (Фиг.7),при этом порядок демонстрации данного процесса аналогичен предыдущему опыту.На предлагаемом учебном приборе 40демонстрируют также явление гирогенерации при частичном торможении Кориолисовых сил гДля этого оператор отвинчиваетФиксаторы 16 на один-два оборота, 45устанавливает регулятор оборотов 20в нулевое положение, а реле временина бесконечность (т.е,: реле времени закорочено и напряжение сети приложено к центрифуге 15 ),50После подготовки прибора оператор запускает маховйки известнымспособом с помощью нити по стрелке А, а затем увеличивает регулято.Ром 20 оборотов вращение платформы 1по стрелке Б так, чтобы угол подъема К маховиков 9 был равен 45 , приоэтом стробоскоп 21 освещает прибородин раз за оборот платформы 1.Поэтому наблюдатель видит происходящий процесс в одном положенииприбора.Вращение маховиков 9 будет длительным, пока существует вращениеплатформы.Действительно (Фиг.3 и Фиг.6 ),на вращающийся маховик 9 действубтдве внешние силы: Нъютонова сила Гч,которая обеспечивает (оказывает противодействие ) частичное торможениеКориолисовой силы Ги сила Гз,приводящая во вращеййе платформу 1.Если вращение маховика 9 уменьшается за счеттрения, то это приводит к уменьшению Кориолисовой силыГкоГ,г в результате чего Ньютонова сила Гк отклоняет маховик 9, увеличивая исходный угол /5 приложенияЙ и , но как видно из предыдущихопйтов, увеличение углаприводитк увеличению и числа оборотов маховика 9 (йиг,7), а увеличение числал оборотов маховика приводит к увеличению Кориолисовой силыГ,Г, которая .приводит уголк исходномуи т.д,Поскольку процессия и гирогенерация два явления, не отделимых другот друга, то эта совокупность объясняет высокую стабильность вращенияне только маховика, но и стабильность прецессионного движения маховика.Применение предлагаемого учебногоприбора по физике раскрывает Физическую сущность непрестанного вращенияземли вокруг своей оси и высокую суточную стабильность, которая заклю-.чается в том, что при вращении земли вокруг солнца, солнце изменяетположение земной оси в пространстве,т.е. создает вектор Й оа такжеоказывает частичное торможение Кориолисовой силе Г , т.е. непрестанное вращение земли вокруг своей осиподчинено явлению гирогенерации. Использование изобретения позволяет повысить, эффективность обучения.,ЯОПХЕаЯ йаМ иЮгеиерации Составитель Г.Ужвийедактор Н.Горват Техред С.Легеза Корректор О.Тиг аказ 7986/39ВНИ ноР И Государ делам из Москва, Ж, 4./ лиал ППП " Патент" , г . Ужгород , ул , Проектная ф 4 Ф 446венногоретений5, Рауш Подп комитета С и открытий кая наб.,