Однажды я наблюдал разговор двух друзей, точнее подруг:
А: О, знаешь, у меня новый смартфон, в нем есть даже встроенный гироскоп
Б: Аа, да, я тоже скачала себе, поставила гироскоп на месяц
А: Эмм, ты точно уверена, что это гироскоп?
Б: Да, гироскоп для всех знаков зодиака.
Чтобы таких диалогов в мире стало чуть меньше, предлагаем узнать, что такое гироскоп и как он работает.
Гироскоп: история, определение
Гироскоп – прибор, имеющий свободную ось вращения и способный реагировать на изменение углов ориентации тела, на котором он установлен. При вращении гироскоп сохраняет свое положение неизменным.
Само слово происходит от греческих gyreuо – вращаться и skopeo – смотреть, наблюдать. Впервые термин гироскоп был введен Жаном Фуко в 1852 году, но изобрели прибор раньше. Это сделал немецкий астроном Иоганн Боненбергер в 1817 году.
Представляют собой вращающиеся с высокой частотой твердые тела. Ось вращения гироскопа может изменять свое направление в пространстве. Свойствами гироскопа обладают вращающиеся артиллерийские снаряды, винты самолетов, роторы турбин.
Простейший пример гироскопа – волчок или хорошо всем известная детская игрушка юла. Тело, вращающееся вокруг определенной оси, которая сохраняет положение в пространстве, если на гироскоп не действуют какие-то внешние силы и моменты этих сил. При этом гироскоп обладает устойчивостью и способен противостоять воздействию внешней силы, что во многом определяется его скоростью вращения.
Например, если мы быстро раскрутим юлу, а потом толкнем ее, она не упадет, а продолжит вращение. А когда скорость волчка упадет до определенного значения, начнется прецессия – явление, когда ось вращения описывает конус, а момент импульса волчка меняет направление в пространстве.
Виды гироскопов
Существует множество видов гироскопов: двух и трехстепенные (разделение по степеням свободы или возможным осям вращения), механические , лазерные и оптические гироскопы (разделение по принципу действия).
Рассмотрим самый распространенный пример - механический роторный гироскоп . По сути это волчок, вращающийся вокруг вертикальной оси, которая поворачивается вокруг горизонтальной оси и в свою очередь закреплена в еще одной раме, поворачивающейся уже вокруг третьей оси. Как бы мы не поворачивали волчок, он всегда будет находится именно в вертикальном положении.
Применение гироскопов
Благодаря своим свойствам гироскопы находят очень широкое применение. Они используются в системах стабилизации космических аппаратов, в системах навигации кораблей и самолетов, в мобильных устройствах и игровых приставках, а также в качестве тренажеров.
Интересует, как такой прибор может поместиться в современный мобильный телефон и зачем он там нужен? Дело в том, что гироскоп помогает определить положение устройства в пространстве и узнать угол отклонения. Конечно, в телефоне нет непосредственно вращающегося волчка, гироскоп представляет собой микроэлектромеханическую систему (МЭМС), содержащую микроэлектронные и микромеханические компоненты.
Как это работает на практике? Представим, что вы играете в любимую игру. Например, гонки. Чтобы повернуть руль виртуального автомобиля не нужно нажимать никаких кнопок, достаточно лишь изменить положение своего гаджета в руках.
Как видим, гироскопы – удивительные приборы, обладающие полезными свойствами. Если вам понадобится решить задачу на расчет движения гироскопа в поле внешних сил, обращайтесь к специалистам студенческого сервиса , которые помогут вам справится с ней быстро и качественно!
Механический гироскоп – не такое уж сложное устройство, при этом его работа – довольно красивое зрелище. Его свойства изучают ученые уже более двухсот лет. Можно было бы подумать, что все изучено, ведь давно уже найдено и практическое применение и тема должна быть закрытой.
Но находятся увлеченные люди, которые не устают утверждать, что при работе гироскопа происходит изменение его веса при вращении в ту или иную сторону или в определенной плоскости. Причем звучат такие выводы, как будто гироскоп преодолевает гравитацию. Или он образует так называемую зону гравитационной тени. И наконец, находятся люди, которые говорят, что если скорость вращения гироскопа превысить до некоторой критической величины, то данное устройство приобретает негативный вес начинает отлетать от Земли.
С чем же мы имеем дело? Возможность прорыва цивилизации или псевдонаучное заблуждение?
Теоретически изменение веса возможно, но на таких больших скоростях, что экспериментально это проверить невозможно в обычных условиях. Но есть люди, которые уверяют, что они видели преодоление земного тяготения при скорости вращения всего в пределах нескольких тысяч минут. Проверке этой гипотезе посвящен данный эксперимент.
Характеристики простейшего самодельного гироскопа.
Далеко не каждому по возможности собрать гироскоп. Авто ролика собрал гироскоп массой более 1 кг. Максимальная скорость вращения 5000 оборотов. Если эффект изменения веса действительно присутствует, он будет заметен на рычажных весах. Их точность, учитывая трение в шарнирах, лежит в пределах 1 гр.
Приступим к эксперименту.
Вначале раскрутим уравновешенный гироскоп в горизонтальной плоскости по часовой стрелке. Вращающийся маховик никогда не будет полностью уравновешен, так как невозможно произвести его идеальную балансировку. Да и нет идеальных подшипников.
Откуда возникает осевая и радиальная вибрация, которая переходит на коромысло весов? В результате чего может возникнуть мнимое увеличение или уменьшение веса? Попробуем раскрутить маховик в другую сторону, чтобы проверить теорию о том что именно направление вращения играет главную роль в гравитационном затмении. Но, похоже, чуда так и не произойдет.
Что будет, если подвесить и раскрутить гироскоп в вертикальной плоскости? Но и в этом случае не происходит никаких изменений на весах.
Принудительная прецессия.
Возможно в школе или в институте вам показывали такую установку для демонстрации принудительной прецессии. Если раскрутить гироскоп, например, по часовой стрелке в вертикальной плоскости, а потом повернуть его опять же по часовой стрелке, если смотреть сверху, но уже в горизонтальной плоскости, то он как бы взлетает. Таким образом он реагирует на внешние воздействия и стремится совместить оснь и направление своего вращения с осью и направлением вращения в новой плоскости.
У некоторых людей внезапно нарывших эту тему, складывается ошибочное понимание этого процесса. Мм кажется, что механический гироскоп способен взлететь, если его принудительно раскрутить во второй плоскости и таким образом якобы можно создать инновационный двигатель. В то же время гироскоп здесь поднимается лишь потому, что отталкивается от вращающейся подставки, а она в свою очередь отталкивается от стола. В невесомости суммарный импульс такой конструкции будет равен нулю.
Механические гироскопы бывают разными. Особенно интересен роторный гироскоп. Суть его заключается в том, что тело, вращающееся вокруг своей оси, достаточно стабильно в пространстве, хотя и может менять направление самой оси. Скорость поворота оси существенно ниже скорости поворота краёв гироскопа. Вращение гироскопа похоже на перемещение юлы на полу. Разница юлы с гироскопом в том, что юла свободна в пространстве, а гироскоп вращается в строго закрепленных точках, находящихся во внешней планке, и имеет защиту, чтобы при падении продолжать вращение.
Вам понадобится
- - две крышки от консервных банок
- - кусочек ламината
- - изолента
- - гайки 6 шт.
- - стальная ось или гвоздь
- - пластилин
- - клей
- - 2 болта
- - толстая проволока
- - дрель, напильник
Инструкция
- Имея эти запчасти, мы можем приступить к сбору ротора. Ровно по центру крышек от консервных банок пробиваем дырочки, желательно таким же гвоздем, как и тот, из которого мы будем делать ось ротора. Далее с помощью пластилина крепим гайки на крышке, можно положить больше шести, вес по краю ротора увеличит время его вращения.
- Далее делаем ось. Для этого закрепим электродрель в тисках, затянем в нем гвоздь без шляпки и напильником заточим. Так заточка оси будет располагаться максимально близко к центру оси. Заточить необходимо с двух сторон.
- Не вынимая заточенную ось из дрели, сделаем желоб для нити, которой будет запускать ротор. На ось прикрепляем крышку с гайками с помощью клея, но не используйте такой, который застывает слишком быстро. Хорошо подойдет "Поксипол". Промажьте гайки этим же клеем.
- Теперь самое главное – балансировка. Пока клей сохнет, вам нужно идеально разместить грузы по краю крышки. Включаем дрель (вертикально), если вращающийся ротор бьет в какую-то сторону, то какой-то груз расположен не правильно. Поправляем, пробуем снова. Смазываем гайки сверху и накрываем второй крышкой. На края ротора приклеиваем изоленту. Сушим. Сам ротор готов!
- Берем два болта подлиннее, крепим в тиски и пробиваем в них углубления, в которых будет закреплён ротор. Теперь нужно придумать внешнюю рамку. Из ламината вырезаем круг. Лучше заранее прорисовать его циркулем. Сразу прорисуйте вертикальную и горизонтальную линии под углом 90 градусов. Внутри вырезаем круг поменьше, но такой, чтобы туда помещался ротор. По горизонтальным линиям делаем дырочки для болтов друг против друга. Вкручиваем болты. Между ними помещаем ось нашего гироскопа. При этом нельзя затягивать слишком плотно, иначе трение будет гасить скорость вращения, и ничего не получится. Оставьте около 1 мм хода, но так, чтобы гироскоп не вываливался из болтов. Приклеиваем болты к планке, чтобы вибрация не выкрутила их из рамки.
- Осталось только установить защиту. Берем толстую проволоку, сгибаем в кольцо. По месту отмеченной горизонтали прикрепляем к нашему изделию. Гироскоп готов. Наматываем ниточку на ось и, резко дергая за нее, проверяем работоспособность.
Эта самоделка будет интересна, в первую очередь, маленьким детям. Особенно, если собирать ее вместе. А вообще изготовление роторного гироскопа из подручных средств - это отличный способ весело и с пользой провести свободное время. Несмотря на визуальную сложность всей конструкции, сделать ее очень просто, ведь, по сути, гироскоп - это обычный волчок, только с «секретом».
Впрочем, сам принцип работы гироскопа также довольно прост: маховик вращается по часовой стрелке вокруг своей оси, которая, в свою очередь, сопряжена с кольцом и совершает вращательные движения в горизонтальной плоскости. Это кольцо жестко закреплено в другом кольце, поворачивающемся вокруг третьей оси. Вот и весь секрет.
Процесс изготовления роторного механического гироскопа
От пластиковой трубы отрезаем два кольца одинаковой ширины. Также потребуется подшипник, который нужно пролить суперклеем, чтобы он не крутился. Во внутреннее кольцо запрессовываем деревянную «таблетку», в которой по центру нужно просверлить отверстие под металлический стержень с заостренными концами.
На один край стержня надеваем кусок пластиковой трубки (можно позаимствовать с шариковой ручки). В пластиковом кольце сверлим два отверстия под стержень и стыкуем с вращающейся осью подшипника при помощи металлических трубок большего диаметра (можно использовать отрезки телескопической антенны).
