ГИРОСКОП

Полезная модель относится к приборостроению, гироскопии, робототехнике, где может использоваться в качестве чувствительного элемента технических систем управления и приборов, а также к учебным моделям для демонстрации гироскопических явлений, имеющим место в природе, технике и быту, для качественного анализа динамики вращающихся тел и как юла использоваться в качестве игрушки.
Аналогами предлагаемой полезной модели является множество волчков-гироскопов различного вида (юла, кубарь и др.). У каждого из волчков конструктивно можно выделить симметричное тело-диск с заостренным стержнем, пронизывающим диск и коаксиально скрепленный с ним неподвижно или подвижно, образуя с ним винтовую кинетическую пару. При этом диск и стержень имеют общую ось материальной симметрии (она направлена вдоль стержня и перпендикулярна плоскости диска).
Юла широко распространена и известна с древнейших времен как занимательная детская игрушка. Но не многие знают, что в учебных аудиториях и лабораториях она используется и как учебное пособие для демонстрации устойчивого вращения осесимметричных твердых тел вокруг неподвижной точки и представления этого вращения как сложного, состоящего из собственного, прецессионного и нутационного, и множества других вращающихся механических систем, служащих для демонстрации гироскопического эффекта. Знание особенностей проявления этого эффекта открывает широкие возможности для его применения в технике (создание сложных систем навигации, прокладка тоннелей, стабилизация статически неустойчивых объектов, управление рабочими органами буровых машин и т.д.), объяснения и исследования вихревых движений в сплошных средах (торнадо, тропические циклоны).
Для демонстрации волчок устанавливают острием стержня на опорную плоскость так, чтобы его динамическая ось была почти вертикальной, и стержень вручную приводят в быстрое вращение и освобождают. Вскоре в движении волчка наступает установившееся вращение около его динамической оси, на вид кажущейся вертикальной. Волчок, совершающий такое, незаметное для глаз, движение, называют «спящим».
С помощью юлы и подобных ей волчков можно показать устойчивое вращение вокруг вертикальной оси прецессии статически неустойчивого тела в поле сил тяготения и прецессию его динамической оси (в направлении вектора момента силы тяжести).
Все волчки названного вида (их центры тяжести находятся над опорной плоскостью) имеют общий недостаток - они прецессируют. Острие стержня (точка) не является неподвижным, а скользит по опорной поверхности, очерчивая расходящуюся спираль, вызывая этим трение скольжения, которое добавляется к трению верчения в опоре, что приводит к сокращению длительности вращения волчка. С их помощью нельзя наблюдать вращение волчок в «спящем» режиме.
Наиболее близким аналогом полезной модели является волчок, взятый в качестве прототипа (патент №2156502, кл. G09B 23/06, A63H 1/10. 2000). Волчок содержит подпятник, колоколообразное тело и заостренный стержень. Последние соединены с возможностью перемещения острия стержня вдоль оси симметрии тела и фиксации их взаимного положения.
С помощью этого волчка можно показать вращение твердого тела на подпятнике в режимах Эйлера, Лагранжа.
Недостатком прототипа является сложность конструкции и невозможность устранения прецессии волчка в случае, когда его центр масс расположен выше точки опоры (случай Лагранжа).
Технической задачей полезной модели является упрощение конструкции и реализация вращения волчка в «спящем» режиме, когда отсутствует прецессия, а центр масс волчка лежит над опорой.
Технический результат достигается тем, что в известном волчке, содержащем тело и заостренный с одного конца стержень, коаксиально соединенные винтовой кинематической парой с самоторможением, тело выполнено в виде диска, а второй конец стержня овальным в виде сегмента эллипсоида вращения, шара или параболоида, при этом высота сегмента меньше расстояния от его вершины до центра тяжести гироскопа, а ось материальной симметрии сегмента совпадает с продольной осью стержня.
Такой волчок служит для демонстрации вращения волчка Лагранжа в «спящем» режиме, когда отсутствуют его прецессия, а значит, и трение скольжения, которое, накладываясь на трение верчения, уменьшает длительность вращения волчка. В таком режиме движения центр тяжести волчка расположен на вертикали, так как любое отклонение динамической оси волчка от вертикали привело бы к понижению его центра масс относительно опоры, что противоречит утверждению, что центр тяжести волчка при вращении должен подниматься (Смородинский Я.А. Волчок-акробат. - Наука и жизнь, 1969, №7, с.76-78; Скарборо Дж. Б. Гироскоп, Теория и применения. - М.: Изд-во иностранной литературы, 1961. - 247 с. - С.83-85; Renaud de le Taille. Le chien d'aveugle des missiles: une toupie // Science et vie, 1983, 787. S.72-77, 164).
Вращаясь в «спящем» режиме, волчок из-за сопротивления в опоре, постепенно теряет скорость, оставаясь в вертикальном положении, пока не упадет на опорную плоскость.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1 показан общий вид гироскопа, на фиг.2 - режимы его движения.
Волчок состоит из диска 1, стержня 2, заканчивающегося овалом 3 и острием 4. При этом диск 1 и стержень 2 соединяются винтовой кинематической парой с самоторможением.
Гироскоп работает следующим образом.
Верчение с опорой на острый конец.
Устанавливаем гироскоп острым концом 4 на плоскость и вручную приводим его в быстрое вращение. Наблюдаем прецессию, в результате которой динамическая ось гироскопа описывает коническую поверхность с возрастающим углом его раствора. Фиксируем длительность вращения гироскопа.
Верчение с опорой на овал
Устанавливаем гироскоп, овалом на опорную плоскость в положение, когда его ось близка к вертикали, и вручную приводим его в быстрое вращение. Наблюдаем вращение «спящего» волчка по отсутствию его прецессии (конического движения динамической оси), когда его центр тяжести остается на вертикали. Фиксируем длительность вращения волчка.
Сравниваем длительности вращения волчка в обоих режимах и заключаем, что во втором случае она меньше.
Таким образом, предложенная конструкция гироскопа более простая и позволяет устранить прецессию в случае, когда центр масс гироскопа расположен выше точки опоры (случай Лагранжа).