Помощь по Теле2, тарифы, вопросы

Гироскоп – достаточно массивное однородное тело, быстро вращ. вокруг своей оси, являющейся свободной осью (свободная ось – ось вращения тела, которая не изменяет своей ориентации в пространстве без действия на нее внешних сил).

Если момент внешних сил равен 0, т.е. L=const, то свое положение в пространстве сохраняет и ось гироскопа. Чтобы ось гироскопа изменила свое направление в пространстве, необходимо наличие момента внешних сил. При этом наблюдается гироскопическое явление.

Гироскопическое явление: Под действием пары сил F, приложенных к оси вращения, ось гироскопа О 1 поворачивается вокруг О 3 , а не вокруг О 2 , как это казалось естественным. Гироскопический эффект объясняется следующим образом. Момент M пары сил F направлен вдоль прямой О 2 . За время dt момент импульса гироскопа L изменится на величину dL=Mdt, причем направление момента силы M совпадает с направлением dL, и станет равным . Направление вектора L’ совпадает с новым направлением оси гироскопа. Т.о. ось гироскопа повернется вокруг прямой О 3 .

Если время действия внешней силы мало, то изменение момента импульса dt гироскопа также будет малым. Поэтому кратковременное действие практически не приведет к изменению ориентации оси гироскопа в пространстве. А для ее изменения приходится прикладывать силу в течение длительного времени.

18. Напряженность гравитационного поля. Работа в поле тяготения. Потенциал поля тяготения. Космические скорости .

Закон всемирного тяготения определяет зависимость силы тяготения от масс взаимодействующих тел и расстояния между ними, но он не показывает, как осуществляется это взаимодействие. Силы тяготения не зависят от того, в какой среде находятся взаимод. тела. Тяготение сущ. и в вакууме. Гравитационное взаимод. осущ. с помощью потя тяготения или гравитационного поля. Это поле порождается токами и явл. формой существования материи. Основное свойство гравитационного поля – на всякое тело массой m, внесенное в это поле, действует сила тяготения F=mg. вектор g не зависит от m и называется напряженностью поля тяготения. Напряженность поля тяготения опред. силой, действующей со стороны поля на мат. точку ед. массы и совпад. с направл. действующей силы. Напряженность есть силовая характеристика поля тяготения. Поле тяготения называют однородным, если его напряженность во всех точках равна. Для граф. изображ. напряженности используют силовые лени (линии напряженности). Силовые линии – линии, в каждой точке которых вектор напряженности поля направлен по касательной к силовой линии.

Вычислим, какую работу надо совершить для удаления тела массой m от Земли. На расстоянии R на тело действ. сила . При перемещении тела на DR совершается работа . Знак «-» т.к. сила и перемещение противоп. направлены. При перемещении тела от R 1 до R 2, соверш. работа. . Из формулы видно, что работа в поле тяготения не зависит от траектории перемещения, а опред. начал. и конеч. положением тела. Т.е. работа по замкнутому пути равна 0. получим, что поле тяготения явл. потенциальным. Работа, соверш. потенц. силами = изменению потенц. энергии сист, взятому со знаком «-». . Сравнивая с предыдущей формулой, видно, что . Величина, равная назыв. потенциалом поля.

Потенциал поля – это энергетическая хар-ка поля, скалярная величина, показывающая, какую работу надо совершить над телом ед. массы для перемещения из данной точки в бесконечность. Физ. смысл – потенциал – это потенциальная энергия тела ед. массы. ГМТ с одинаковым потенциалом наз. эквипотенциальными поверхностями (сфера). Связь между напряженностью и потенциалом

где - вектор (производная по направл.), показ. направл. максимал. измен. величины. «-», т.к. напряженность направл. в сторону убывания потенциала.

Для запуска ракет надо в зависимости от цели сообщить им опред. начал. скорости, наз. космическими. Первая космическая скорость – скорость, которую надо сообщ. телу, чтобы оно могло двигаться вокруг земли по круговой орбите, т.е. превратиться в искусств. спутник.

Если r=R з, то

Вторая космическая скорость – наименьшая скорость, которую нужно сообщит телу, чтобы оно могло преодолеть притяжение Земли и превратиться в спутник Солнца, т.е. его орбита в поле тяготения земли станет параболической. Чтобы тело преодолело земное притяжение и ушло в космич. простр., надо, чтобы его кинетич. энергия = работе, соверш. против сил тяготения.

Третья космическая скорость – скорость, которую необх. сообщить телу на Земле, чтобы оно покинуло пределы солнечной системы, преодолев притяжение Солнца

Свободные оси (оси свободного вращения) - такие оси вращения тел, которые сохраняют свою ориентацию в пространстве без действия на них внешних сил. В общей теории доказывается, что для любого твердого тела существуют главные оси инерции - три попарно взаимно перпендикулярные оси, проходящие через центр масс тела, которые могут служить свободными осями.

Можно показать, что вращение вокруг главных осей с наибольшим и наименьшим моментами инерции оказывается устойчивым, а вращение вокруг других осей и оси со средним моментом - неустойчивым.

Гйроскоп - массивное твердое симметричное тело, вращающееся с большой угловой скоростью d> вокруг своей оси симметрии, являющейся свободной осью.

Если ось симметрии гироскопа закреплена или она поворачивается с угловой скоростью о) 0

Рис. 6.3.

Широкое распространение получил гироскоп па кардаповом подвесе , когда однородное тело вращения закреплено в центре масс (рис. 6.3). Положение тела в подвесе должно быть таким, чтобы оси свободного вращения АЛ", В В" и ось 00" пересекались в центре масс. В этом случае при любых возможных движениях тела его центр масс остается неподвижным. При этом ось АЛ" (в данном случае - ось симметрии тела) может занимать произвольную ориентацию в пространстве.

Если гироскоп раскручен вокруг оси симметрии, то ориентация оси вращения гироскопа остается неизменной, когда момент внешних сил относительно закрепленного центра масс гироскопа равен нулю. Как следует из уравнения моментов (4.44), L = /со = const, т.е. выполняется равенство (6.10). Действительно, момент силы тяжести относительно закрепленного центра масс свободно вращающегося гироскопа будет равен нулю, так как эта сила приложена к центру масс (центр вращения С совпадает с центром масс). Момент сил трения пренебрежимо мал.

Чтобы ось гироскопа изменила свое направление в пространстве, необходимо, согласно уравнению (4.44), отличие от нуля момента внешних сил. Тогда будет наблюдаться гироскопический эффект - гироскоп поворачивается так, чтобы его оси свободного и вынужденного вращения совпадали. Используя уравнение моментов (уравнение динамики вращательного движения), можно показать, что если ось быстро вращающегося свободного гироскопа с моментом импульса L стараться повернуть моментом сил м , то она начнет вращаться с угловой скоростью d> 0 в таком направлении, чтобы векторы to 0 , L и М составляли правую тройку векторов:

Рис. 6.4. К объяснению гироскопического эффекта (а> 0 - угловая скорость, с которой поворачивается ось гироскопа)

Гироскопический эффект вызван действием кориолисовых сил инерции. Объясним это. На рис. 6.4 изображен массивный симметричный волчок, вращающийся с угловой скоростью ш вокруг оси симметрии, совпадающей с осью Z. Пусть к оси гироскопа приложена пара внешних сил F m , направленных вдоль оси X. Тогда момент внешних сил М вн , направленный вдоль оси Y, стремится вращать ось гироскопа с угловой скоростью со вн вокруг оси Y (рис. 6.4). Однако гироскоп начинает поворачиваться вокруг оси X, что действительно должно быть вызвано появлением какого-то момента сил, направленного вдоль этой оси. Перейдем во вращающуюся со скоростью со вн систему отсчета, в которой ось гироскопа неподвижна, а на его материальные точки т, движущиеся со скоростями v" = (bx г ", действуют кориолисовы силы инерции F lK =2m i (см. формулу (6.6)). Момент этих сил М к направлен вдоль оси X, и именно он вызывает вращение оси со скоростью (6 0 . Движение несвободного гироскопа с осью симметрии, закрепленной в двух точках, отличается от движения свободного гироскопа. В рассмотренном выше примере (рис. 6.4) ось несвободного гироскопа будет поворачиваться в направлении действия момента сил М вн вдоль оси Y.

Если ось гироскопа закреплена подшипниками, то возникающие гироскопические силы действуют на опоры, в которых вращается ось гироскопа. Их действие надо учитывать при конструировании устройств, содержащих быстровращающиеся массивные составные части, иначе эти силы могут даже разрушить подшипники.

Карданов подвес - универсальная шарнирная опора, позволяющая закреплённому в ней объекту вращаться одновременно в нескольких плоскостях.Главным свойством карданова подвеса является то, что если в него закрепить вращающееся тело, то оно будет сохранять направление оси вращения независимо от ориентации самого подвеса.

Уравновешенный гироскоп закреплён на подвесе таким образом, что может совершать любой поворот вокруг центра подвеса, причём центр подвеса гироскопа совпадает с его центром тяжести, следовательно, результирующий момент всех частей гироскопа относительно центра подвеса равен нулю.

Устройство: на корпусе закреплено внешнее кольцо, свободно поворачивающееся вокруг оси AA`. Внутри него расположено внутреннее кольцо, вращающееся вокруг оси BB’, перпендикулярной к оси AA`. Гироскоп D вращается вокруг своей оси CC’, перпендикулярной к оси внутреннего кольца подвеса BB’. Таким образом, ось гироскопа может свободно поворачиваться и занимать любое положение в пространстве, при этом корпус гироскопа будет оставаться неподвижным. А при любом повороте подставки ось вращения гироскопа будет сохранять неизменным своё направление.

Рис.1. Гироскоп на кардановом подвесе

Гироскопический эффект

Момент количества движения гироскопа совпадает с его осью вращения. Для того, чтобы изменить направление в пространстве оси гироскопа, т.е. направление вектора необходимо в соответствии с основным уравнением динамики вращательного движения подействовать на него моментом внешних сил. При этом наблюдается явление, получившее название гироскопического эффекта : под действием пары сил, стремящихся повернуть вращающийся гироскоп вокруг оси, перпендикулярной к его оси вращения, гироскоп станет поворачиваться около третьей оси, перпендикулярной к первым двум.

Рис.2. Графическое представление гироскопического эффекта.

OO` – ось вращения гироскопа; O 1 O 1 ` – ось, перпендикулярная к оси вращения гироскопа;

O 2 O 2 ` – новое направление оси вращения гироскопа.

Рассмотрим поведение гироскопа под действием момента силы , действующего вдоль оси O 1 O 1 `. За время dt момент количества движения гироскопа получит приращение

Которое имеет такое же направление, как и .

Момент количества движения гироскопа спустя время dt будет равен результирующей , лежащей в плоскости чертежа. Направление вектора совпадает с новым направлением оси вращения гироскопа O 2 O 2 ` и ось гироскопа повернется вокруг оси O 2 O 2 `, перпендикулярной плоскости чертежа, причем так, что угол между векторами и уменьшится.

Как видно из рисунка, .

Скорость прецессии, т.е. скорость поворота оси гироскопа в новое положение:

Если действовать на гироскоп длительное время постоянным по направлению моментом внешних сил, то ось гироскопа устанавливается так, что ось и направление собственного вращения совпадают с осью и направлением вращения под действием внешних сил (вектор совпадает по направлению с вектором).

Следствием действия гироскопического эффекта является прецессия – это движение, возникающее при быстром вращении тела, при котором его ось вращения сама движется по конусу, вершина которого находится в точке соприкосновения тела с опорой, а ось конуса совпадает с направлением внешней силы.

Опыт показывает, что если тело привести во вращение вокруг некоторой оси, а затем предоставить его самому себе, то положение оси вращения в пространстве изменяется со временем. Сохранить неизменным положение оси вращения можно, если зафиксировать ее с помощью подшипников. Однако существуют такие оси вращения тел, которые не изменяют своей ориентации в пространстве без действия на них внешних сил. Эти оси называют свободными осями.

В любом теле существуют три взаимно перпендикулярные оси, проходящие через центр масс тела, являющиеся осями симметрии, которые могут быть свободными осями.

Для устойчивости вращения большое значение имеет, какая именно из свободных осей служит осью вращения. Опыт показывает, что вращение вокруг осей с наибольшим и наименьшим моментами инерции оказывается устойчивым, а вращение вокруг оси со средним моментом инерции – неустойчивым.

Так, если подбросить параллелепипед, приведя его одновременно во вращение, то он, падая, будет устойчиво вращаться вокруг осей 1 и 2 (рис. 4.7.1).

Свойство свободных осей сохранять свое положение в пространстве широко применяется в технике. Наиболее интересны в этом плане гироскопы – массивные однородные тела, вращающиеся с большой угловой скоростью вокруг своей оси симметрии, являющейся свободной осью.

Чтобы ось гироскопа изменила свое направление в пространстве, необходимо, чтобы момент внешних сил был отличен от нуля. При попытке вызвать поворот оси гироскопа наблюдается явление, получившее название гироскопического эффекта: под действием сил, которые должны были бы вызвать поворот оси гироскопа вокруг прямой , ось гироскопа поворачивается вокруг прямой (рис.4.7.2). Противоестественное на первый взгляд поведение гироскопа полностью соответствует законам динамики вращательного движения. Действительно, момент сил и , стремящихся повернуть ось гироскопа вокруг оси , направлен вдоль прямой влево (по правилу буравчика).

За время момент импульса гироскопа получит приращение , причем это приращение имеет такое же направление, как и (вектор лежит в плоскости чертежа и направлен влево). Спустя время момент импульса гироскопа станет равен (вектор лежит в плоскости рисунка). Так как направление момента импульса совпадает с направлением оси гироскопа, то направление совпадает с новым направлением оси гироскопа. Таким образом, ось гироскопа повернется на угол вокруг оси .

Если ось гироскопа закреплена подшипниками, то вследствие гироскопического эффекта возникают гироскопические силы, действующие на опоры, в которых вращается ось гироскопа. Их необходимо учитывать при конструировании устройств, содержащих быстровращающиеся массивные составные части (например, подшипники паровых турбин на кораблях).

Гироскопы применяются в различных навигационных приборах (гирокомпас, гирогоризонт, авторулевой, автопилот и т.д.).

Глава 5. Механические колебания

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Тема: «Гироскопический эффект и его применение»

Введение

Постоянное совершенствование систем управление летательных аппаратов сопровождается непрерывным развитием их измерительных устройств (ИУ).

К основному составу бортовых измерительных устройств следует отнести акселерометры, гироскопические системы, оптикоэлектронные приборы и.т.д.

Гироскопические устройства (ГУ) занимают одно из важных мест в системах управления летательных аппаратов. Основным элементом ГУ является гироскоп, представляющий собой быстровращающееся симметричное тело. Слово «гироскоп» состоит из двух греческих слов: «гирос» - вращение и «скопео» - наблюдать, смотреть.

Быстровращающееся тело приобретает на первый взгляд труднообъяснимое свойство сохранять свое угловое положение неизменным в инерциальном пространстве - свойство устойчивости. На такое необычное качество вращающихся тел человек обратил внимание еще в глубокой древности.

Всем известна игрушка волчок, которая при его закрутке с угловой скоростью щ приобретает устойчивость относительно горизонтальной плоскости. Многие века волчок оставался всего лишь игрушкой. Впервые изучение волчка занялся И. Ньютон (1642-1727 гг.). Член Российской Академии Наук Л. Эйлер (1707-1783 гг.) вывел уравнения движения твердого тела относительно неподвижной его опоры. Эти выдающиеся ученые предвосхитили блестящее будущее волчка.

Дальнейшее развитие теория волчка нашла в трудах Ж. Лагранжа (1736-1813 гг.) и Л. Пуансо (1777-1859 гг.). Тем не менее, волчок оставался все еще игрушкой до тех пор, пока Л. Фуко (1819-1868 гг.) не поместил его в устройство, состоящее из двух колец и названное по имени его изобретателя Кардана - карданным подвесом. Образованный таким образом прибор был назван гироскопом и впервые продемонстрирован Л. Фуко в 1852 году на заседании Парижской академии наук (рис. 1)

Начало практического использования гироскопических устройств связывают с 1898 г., когда лейтенант австрийской армии Обри предложил прибор, обеспечивающий стабилизация курса морской торпеды.

Новые возможности практического использования гироскопических устройств открылись в связи с опубликованием работ выдающегося русского ученого Н.Е. Жуковского. В 1912 году он предложил установить гироскоп на ЛА с целью повышения устойчивости аппарата. В данном случае устройство выполняло функции исполнительного органа, с помощью которого создавались управляющие и демпфирующие моменты относительно центра масс аппарата. В настоящее время гироскопические исполнительные органы находят широкое применение в системах угловой стабилизации КА.

Рис. 1 Схема модели первого гироскопа Л. Фуко, 1852 г

гироскоп поплавковый лазерный оптический

1. Гироскоп и его основные свойства

Обнаруженное свойство волчка открывало интереснейшие перспективы его использования. Представим себе, что мы наблюдаем за земным шаром со стороны его Северного полюса N из мирового пространства (рис.2).

Рис. 2 Отклонение гироскопа с течением времени от плоскости горизонта

Предположим также, что в начальный момент времени мы увидели волчок установленным на экваторе в точке В0, причем его главная ось АА1 направлена с запада на восток и расположена горизонтально. Вследствие суточного вращения Земли точка В0 непрерывно изменяет свое положение. По прошествии трех часов она переместится в точку В3, через шесть часов - в точку В6, через двенадцать - в точку В12 и т.д. пока вновь не вернется в исходное положение по истечении 24 часов. Известно, что в любой точке на земной поверхности плоскость горизонта перпендикулярна радиусу земного шара (т.е. плоскость горизонта изменяет с течением времени свое положение в мировом пространстве). Поэтому для наблюдающего из мирового пространства ее положение для точки земной поверхности, расположенной на экваторе, будет казаться прямой линией. Так, в точке В0 это будет прямая а0b0, в точке В3 - прямая а3b3, в точке В3 - прямая а6b6 и т.д.

В суточном вращении Земли участвует и точка подвеса волчка, закрепленная с помощью кардановых колец неподвижно на земной поверхности.

Главная ось такого волчка не сохранит неизменного положения относительно плоскости горизонта. Оставаясь стабильной и мировом пространстве, главная ось АА1 волчка отклонится от плоскости горизонта. Причем угол этого отклонения будет равен углу поворота земного шара.

Следовательно, наблюдатель, находящийся на земной поверхности рядом с волчком в карданном подвесе, сможет по отклонению его главной оси от плоскости горизонта определить угол поворота земного шара около своей оси.

Прибор Фуко дал возможность непосредственно наблюдать суточное вращение Земли, поэтому и был назван гироскопом.

Быстро вращающийся гироскоп оказывает значительное сопротивление любым попыткам изменить его положение в пространстве. Если воздействовать на его наружное кольцо НК (рис.3) силой F, пытаясь повернуть гироскоп вокруг оси СС1, то можно убедиться в сопротивлении гироскопа внешнему усилию.

Гироскоп начнет поворачиваться не вокруг оси СС1 а вокруг оси ВВ1. в направлении, указанном стрелкой. Скорость вращения гироскопа вокруг оси ВВ1 будет тем больше, чем больше сила F.

Рис. 3 Сопротивляемость гироскопа внешним усилиям

Одновременно были обнаружены и другие интересные свойства гироскопа. Опыты показали, что, затягивая винты d, расположенные на наружном кольце НК , и лишая тем самым гироскоп свободы вращения вокруг оси ВВ1, создают условия, при которых гироскоп будет стремиться совместить свою главную ось АА1 с плоскостью меридиана. Для этого необходимо главную ось гироскопа предварительно установить в плоскость горизонта. Если же затянуть винт d1, расположенный на корпусе К прибора, и лишить тем самым гироскоп свободы вращения вокруг оси СС1, то главная ось АА1 при условии ее предварительного совмещения с плоскостью меридиана, будет стремиться к совмещению с линией, параллельной оси мира.

Для уяснения природы многообразных свойств гироскопа обратимся к некоторым основным понятиям и законам механики.

2. Свойство трехстепенного роторного гироскопа

Среди механических гироскопов выделяется роторный гироскоп -- быстро вращающееся твёрдое тело (ротор), ось вращения которого может свободно изменять ориентацию в пространстве. При этом скорость вращения гироскопа значительно превышает скорость поворота оси его вращения. Основное свойство такого гироскопа -- способность сохранять в пространстве неизменное направление оси вращения при отсутствии воздействия на него моментов внешних сил и эффективно сопротивляться действию внешних моментов сил. Это свойство в значительной степени определяется величиной угловой скорости собственного вращения гироскопа.

При воздействии момента внешней силы вокруг оси, перпендикулярной оси вращения ротора, гироскоп начинает поворачиваться вокруг оси прецессии, которая перпендикулярна моменту внешних сил.

Поведение гироскопа в инерциальной системе отсчёта описывается, согласно следствию второго закона Ньютона, уравнением

Где векторы и являются, соответственно, моментом силы, действующей на гироскоп, и его моментом импульса.

Изменение вектора момента импульса под действием момента силы возможно не только по величине, но и по направлению. В частности, момент силы, приложенный перпендикулярно оси вращения гироскопа, то есть перпендикулярный, приводит к движению, перпендикулярному как, так и, то есть к явлению прецессии. Угловая скорость прецессии гироскопа определяется его моментом импульса и моментом приложенной силы.

То есть обратно пропорциональна скорости вращения гироскопа. Одновременно с возникновением прецессии, согласно следствию третьего закона Ньютона, гироскоп начнёт действовать на окружающие его тела моментом реакции, равным по величине и противоположным по направлению моменту, приложенному к гироскопу. Этот момент реакции называется гироскопическим моментом.

То же движение гироскопа можно трактовать иначе, если воспользоваться неинерциальной системой отсчёта, связанной с кожухом ротора, и ввести в ней фиктивную силу инерции -- так называемую кориолисову силу. Так, при воздействии момента внешней силы гироскоп поначалу будет вращаться именно в направлении действия внешнего момента (нутационный бросок). Каждая частица гироскопа будет таким образом двигаться с переносной угловой скоростью вращения вследствие действия этого момента. Но ротор гироскопа, помимо этого, и сам вращается, поэтому каждая частица будет иметь относительную скорость. В результате возникает кориолисова сила, которая заставляет гироскоп двигаться в перпендикулярном приложенному моменту направлении, то есть прецессировать.

3. Новые типы гироскопов

Постоянно возрастающие требования к точностным и эксплуатационным характеристикам гироскопических приборов стимулировали ученых и инженеров многих стран мира не только к дальнейшим усовершенствованиям классических гироскопов с вращающимся ротором, но и к поискам принципиально новых идей, позволяющих решить проблему создания чувствительных датчиков для индикации и измерения угловых движений объекта в пространстве.

В настоящее время известно более ста различных явлений и физических принципов, которые позволяют решать гироскопические задачи. Выданы многие тысячи патентов и авторских свидетельств на соответствующие открытия и изобретения. И даже их беглое перечисление представляет собой невыполнимую задачу. Поэтому остановимся только на самых интересных направлениях, с помощью которых получены наиболее значительные практические результаты. При этом надо учесть, что уровень развития гироскопии оказывал существенное влияние на обороноспособность, поэтому во времена холодной войны гироскопы разрабатывались в обстановке строжайшей секретности и информация о полученных результатах хранилась за семью печатями.

Поплавковые гироскопы

Поплавковый гироскоп (ПГ) представляет собой классический роторный гироскоп, в котором для разгрузки подшипников подвеса все подвижные элементы взвешены в жидкости с большим удельным весом так, чтобы вес ротора вместе с кожухом уравновешивался гидростатическими силами. Благодаря этому на много порядков снижается сухое трение в осях подвеса и увеличивается ударная и вибрационная стойкость прибора. Герметичный кожух, выполняющий роль внутренней рамки карданового подвеса, называется поплавком. Конструкция поплавка должна быть максимально симметричной. Ротор гироскопа внутри поплавка вращается на воздушной подушке в аэродинамических подшипниках со скоростью порядка 30-60 тыс. оборотов в минуту. ПГ с большим вязким трением жидкости называется также интегрирующим гироскопом.

ПГ до настоящего времени остается одним из наиболее распространенных типов гироскопов и, безусловно, будет широко применяться в ближайшие годы, так как основывается на хорошо отработанных технологиях, мощной производственной базе. Но новые разработки ПГ, по-видимому, нецелесообразны, поскольку дальнейшее повышение точности встречает труднопреодолимые препятствия и вряд ли будет экономически оправданным.

Динамически настраиваемые гироскопы

Динамически настраиваемые гироскопы (ДНГ) принадлежат к классу гироскопов с упругим подвесом ротора, в которых свобода угловых движений оси собственного вращения обеспечивается за счет упругой податливости конструктивных элементов (например, торсионов). В ДНГ в отличие от классического гироскопа используется так называемый внутренний карданов подвес (рис. 3), образованный внутренним кольцом 2, которое изнутри крепится торсионами 4 к валу электродвигателя 5, а снаружи - торсионами 3 к ротору 1. Момент трения в подвесе проявляется только в результате внутреннего трения в материале упругих торсионов. В динамически настраиваемых гироскопах за счет подбора моментов инерции рамок подвеса и угловой скорости вращения ротора осуществляется компенсация упругих моментов подвеса, приложенных к ротору. К достоинствам ДНГ следует отнести их миниатюрность, высокую стабильность показаний, относительно невысокую стоимость.

Кольцевые лазерные гироскопы

Кольцевой лазерный гироскоп (КЛГ), называемый также квантовым гироскопом, создан на основе лазера с кольцевым резонатором, в котором по замкнутому оптическому контуру одновременно распространяются встречные электромагнитные волны. Длины этих волн определяются условиями генерации, согласно которым на длине периметра резонатора должно уложиться целое число волн, поэтому на неподвижном основании частоты этих волн совпадают. При вращении резонатора лазерного гироскопа путь, проходимый лучами по контуру, становится разным и частоты встречных волн становятся неодинаковыми. Волновые фронты лучей интерферируют друг с другом, создавая интерференционные полосы. Вращение резонатора лазерного гироскопа приводит к тому, что интерференционные полосы начинают перемещаться со скоростью, пропорциональной скорости вращения гироскопа. Интегрирование по времени выходного сигнала лазерного гироскопа, пропорционального угловой скорости, позволяет определить угол поворота объекта, на котором установлен гироскоп. К достоинствам лазерных гироскопов следует отнести прежде всего отсутствие вращающегося ротора, подшипников, подверженных действию сил трения.

Волоконно-оптические гироскопы

Значительные достижения в области разработки и промышленного выпуска световодов с минимальным значением погонного затухания и интегральных оптических компонентов привели к началу работ над волоконно-оптическим гироскопом (ВОГ), представляющим собой волоконно-оптический интерферометр, в котором распространяются встречные электромагнитные волны. Наиболее распространенный вариант ВОГ - многовитковая катушка оптического волокна. Достигнутые в лабораторных образцах точности ВОГ приближаются к точности КЛГ. ВОГ из-за простоты конструкции является одним из наиболее дешевых среднеточных гироскопов.

Волновые твердотельные гироскопы (ВТГ)

В основе функционирования волнового твердотельного гироскопа (ВТГ) лежит физический принцип, заключающийся в инертных свойствах упругих волн в твердом теле. Упругая волна может распространяться в сплошной среде как жесткое тело, не изменяя своей конфигурации. Такая частицеподобная волна называется солитоном и рассматривается как модельное воплощение корпускулярно-волнового дуализма: с одной стороны, это волна, с другой - неизменность конфигурации приводит к аналогии с частицей. Однако эта аналогия в некоторых явлениях простирается и дальше. Так, если возбудить стоячие волны упругих колебаний в осесимметричном резонаторе, то вращение основания, на котором установлен резонатор, вызывает поворот стоячей волны на меньший, но известный угол. Соответствующее движение волны как целого называется прецессией. Скорость прецессии стоячей волны пропорциональна проекции угловой скорости вращения основания на ось симметрии резонатора.

Резонатор ВТГ представляет собой тонкую упругую оболочку вращения, сделанную из плавленого кварца, сапфира или другого материала, обладающего малым коэффициентом потерь при колебаниях. Обычно форма оболочки - полусфера с отверстием в полюсе, поэтому ВТГ называется в литературе полусферическим резонаторным гироскопом. Один край резонатора (у полюса) жестко прикреплен к основанию (ножке). Другой край, называемый рабочим, свободен. На внешнюю и внутреннюю поверхности резонатора, около рабочего края, напыляются металлические электроды, которые образуют вместе с такими же электродами, нанесенными на окружающий резонатор кожух, конденсаторы. Часть конденсаторов служит для силового воздействия на резонатор. Вместе с соответствующими электронными схемами они образуют систему возбуждения колебаний и поддержания их постоянной амплитуды. С ее помощью в резонаторе устанавливают так называемую вторую форму колебаний, у которой стоячая волна имеет четыре пучности через каждые 90?. Вторая группа конденсаторов служит датчиками положения пучностей на резонаторе. Соответствующая (весьма сложная) обработка сигналов этих датчиков позволяет получать информацию о вращательном движении основания резонатора.

К достоинствам ВТГ относятся высокое отношение точность / цена, способность переносить большие перегрузки, компактность и небольшой вес, низкая энергоемкость, малое время готовности, слабая зависимость от температуры окружающей среды.

Вибрационные гироскоп

Вибрационные гироскопы основаны на свойстве камертона, заключающегося в стремлении сохранить плоскость колебаний своих ножек. Теория и эксперимент показывают, что в ножке колеблющегося камертона, установленного на платформе, вращающейся вокруг оси симметрии камертона, возникает периодический момент сил, частота которого равна частоте колебания ножек, а амплитуда пропорциональна угловой скорости вращения платформы. Поэтому, измеряя амплитуду угла закрутки ножки камертона, можно судить об угловой скорости платформы. Патент на вибрационный гироскоп принадлежит некоторым видам двукрылых насекомых, обладающих парой стержнеобразных придатков, называемых жужжальцами, которые вибрируют в полете с размахом до 75? и частотой около 500 Гц. При повороте туловища возникают колебания жужжалец в другой плоскости. Эти колебания воспринимаются особыми чувствительными клетками, расположенными в основании жужжалец и подающими команду на выравнивание корпуса насекомого. Система похожа на автопилот, в датчиках которого вращательное движение заменено на колебательное как на более естественное и экономичное для биологических систем.

Первые разработчики вибрационных гироскопов предрекали близкую смерть классическим гироскопам с вращающимся ротором. Однако более глубокий анализ показал, что вибрационные гироскопы отказываются работать в условиях вибрации, которая практически всегда сопровождает места установки приборов на движущихся объектах. Непреодолимой оказалась и проблема нестабильности показаний из-за сложностей высокоточного измерения амплитуды колебаний ножек. Поэтому идея чистого камертонного гироскопа так и не была доведена до прецизионного прибора, однако она стимулировала целое направление поисков новых типов гироскопов, использующих либо пьезоэлектрический эффект, либо вибрацию жидкостей или газов в хитро изогнутых трубках и т.п.

Список использованной литературы

1.Каргау, Л.И. Измерительные устройства летательных аппаратов [Текст] / Л.И. Каргау. - М., 1988. - 256 с.

2. Сифф, Э.Дж. Введение в гироскопию [Текст] / Э.Дж.Сифф. - М.: Наука, 1965. - 124 с.

3. Википедия [Электронный ресурс] / Свободная энциклопедия. - 21.12.2014. - Режим доступа. - URL: http://wikipedia.org.

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Магнитоэлектрические датчики момента. Исследование математической модели динамически настраиваемого гироскопа с газодинамической опорой ротора, учитывающей угловую податливость скоростной опоры. Уравнения движения динамически настраиваемого гироскопа.

дипломная работа , добавлен 12.04.2014


Элементарное представление о гироскопе, его основные свойства, принцип работы и применение в технике. Теорема Резаля. Направление оси свободного гироскопа в инерциальной системе отсчета. Регулярная прецессия тяжелого гироскопа, правило Жуковского.

презентация , добавлен 09.11.2013


Волновые свойства света: дисперсия, интерференция, дифракция, поляризация. Опыт Юнга. Квантовые свойства света: фотоэффект, эффект Комптона. Закономерности теплового излучения тел, фотоэлектрического эффекта.

реферат , добавлен 30.10.2006


Общее понятие гироскопа, его важнейшие свойства. Основное допущение элементарной теории. Реакция гироскопа на внешние силы. Момент гироскопической реакции, сущность теоремы Резаля. Оценка воздействия мгновенной силы на направление оси гироскопа.

презентация , добавлен 30.07.2013


Волоконно-оптические линии связи как понятие, их физические и технические особенности. Основные составляющие элементы оптоволокна и его виды. Области применения и классификация волоконно-оптических кабелей, электронные компоненты систем оптической связи.

реферат , добавлен 16.01.2011


Фотоупругость - следствие зависимости диэлектрической проницаемости вещества от деформации. Волоконно-оптические сенсоры с применением фотоупругости. Фотоупругость и распределение напряжения. Волоконно-оптические датчики на основе эффекта фотоупругости.

курсовая работа , добавлен 13.12.2010


Лазерная обработка металлов. Лазерная связь и локация. Лазерные системы навигации и обеспечения безопасности полетов. Лазерные системы управления оружием. Газовые, полупроводниковые, жидкостные, газодинамические, кольцевые лазеры.

реферат , добавлен 10.05.2004


Оптические свойства стекол (показатель преломления, молярная и ионная рефракция, дисперсия). Оптические свойства и строение боросиликатных стёкол, которые содержат на поверхности наноразмерные частицы серебра и меди. Методы исследования наноструктур.

дипломная работа , добавлен 18.09.2012


Свойства сверхпроводящих материалов. Определение электрического сопротивления и магнитной проницаемости немагнитных зазоров. Падение напряженности магнитного поля по участкам. Условия для работы устройства. Применение эффекта Мейснера и его изобретение.

научная работа , добавлен 20.04.2010


Пьезоэлектрический эффект в кристаллах. Диэлектрики, в которых наблюдается пьезоэффект. Прямой и обратный эффект пьезоэлектриков. Сжатие пьезо-электрической пластинки. Основные виды поликристаллических пьезоэлектриков. Основные свойства пьезоэлектриков.