Установка для демонстрации и исследования свойств гироскопа

Полезная модель относится к средствам обучения, а именно к научным приборам по теоретической механике, и может быть использована в высших технических учебных заведениях при изучении гироскопических явлений.
Известен демонстрационный гироскоп, содержащий трехстепенной гироскоп с герметичным гироузлом с тремя гермовводами для подвода питания к статору гиромотора, конструктивно помещенным в наружную раму с двумя полуосями, на которой установлен разъем питания от внешнего источника, три выходных контакта которого соединены с тремя гермовводами гироузла, при этом на наружной раме размещен внутренний источник питания, а в неподвижной части разъема установлен нормально замкнутый контакт, состояние которого зависит от взаимного положения подвижной части разъема питания относительно неподвижной. (Купоросова Елена Серафимовна (RU), Кривошеев Сергей Валентинович (RU), Афанасьев Анатолий Юрьевич (RU), Заявка: 2011124560/12, 16.06.2011, Опубликовано: 27.09.2012 Бюл. №27).
Однако описанный прибор не предназначен для исследования количественных характеристик гироскопических явлений, не обеспечивает постоянство угловой скорости вращения гироскопа и необходимое время его работы из-за ограниченных возможностей внутреннего источника питания, размещенного на раме.
Известно устройство для демонстрации и исследования гироскопических явлений, содержащее неподвижное основание с вертикальной стойкой, внешнюю рамку с валом, установленным с возможностью вращения в стойке, гироскоп, выполненный в виде горизонтальной оси и диска, закрепленного посредством подшипников на этой оси, измеритель гироскопического момента и датчик угловой скорости вращения внешней рамки, а также блок питания и блок обработки сигналов этого датчика, снабженное внутренней рамкой, шарнирно закрепленной во внешней рамке, электроприводом вращения внешней рамки и датчиком угловой скорости вращения диска, причем ось гироскопа шарнирно закреплена на внутренней рамке перпендикулярно оси поворота этой рамки относительно внешней, а измеритель гироскопического момента выполнен в виде закрепленной на внутренней рамке упругой пластины, установленных на внешней рамке упоров, контактирующих с концами упругой пластины, и датчика, закрепленного на внешней рамке и кинематически связанного с внутренней рамкой, ось гироскопа снабжена фиксатором ее положения во внутренней рамке, которая также снабжена фиксатором положения этой рамки относительно внешней рамки, при этом датчик гироскопического момента и датчик угловой скорости вращения диска электрически связаны с блоками питания и обработки сигналов. (Дубинин Владимир Валентинович (RU), Витушкин Вячеслав Валентинович (RU), Заявка: 2014154115/12, 30.12.2014, Опубликовано: 10.05.2016 Бюл. №13).
Однако в указанном устройстве гироскоп приводится во вращение с помощью вспомогательных средств, например ручной дрели с резиновым роликом и в дальнейшем вращается по инерции, постепенно замедляясь, что снижает точность измерения угловой скорости прецессии.
Задача, на решение которой направлено заявленное техническое решение заключается в активизации познавательной деятельности обучаемых, демонстрируя более точное совпадение экспериментальных результатов исследования с теоретическими расчетами.
Данная задача решается за счет того, что установка для демонстрации и исследования свойств гироскопа включает неподвижное основание с вертикальной стойкой, внешнюю рамку, закрепленную на валу, установленном с возможностью вращения в стойке, герметичный гироблок с тремя гермовводами для подвода питания к статору гиромотора, установленный во внутренней рамке, шарнирно закрепленной во внешней рамке. При этом на валу между внешней рамкой и стойкой установлен вращающийся токосъемник, подвижные контакты которого соединены с гермовводами гироблока, а неподвижные - со стационарным источником питания.
Техническим результатом, достигаемым приведенной совокупностью признаков, является обеспечение постоянства угловой скорости вращения ротора гироскопа, что расширяет исследовательские возможности устройства, в частности увеличивает точность и достоверность измерения параметров прецессии гироскопа.
Общий вид установки и конструктивное выполнение ее основных элементов приведены на фиг. 1.
Установка для демонстрации и исследования свойств гироскопа состоит из неподвижного основания 1 с вертикальной стойкой 2, внешней рамки 3, закрепленной на валу 4, установленном с возможностью вращения в стойке, внутренней рамки 5, закрепленной во внешней рамке с возможностью поворота относительно оси 6. Во внутренней рамке установлен герметичный гироблок 7. На валу 4 закреплен вращающийся токосъемник 8, ротор которого вращается вместе с валом, а статор жестко связан со стойкой. Подвижные контакты вращающегося токосъемника соединены с гермовводами гироблока 9, а неподвижные - со стационарным источником питания 10. На внутренней рамке установлен рычаг 11, на который подвешиваются грузики 12. Конструкция рычага позволяет изменять расстояние от точки подвеса грузиков до центра масс гироскопа.
Установка работает следующим образом. После подачи питания и выхода гиромотора гироблока на рабочий режим, на рычаг подвешивают грузик известной массы. Сила веса грузика создает на плече рычага момент М относительно центра масс гироскопа, под действием которого начинается прецессия - движение внешней рамки в направлении вектора момента. Скользящие контакты токосъемника при этом обеспечивают непрерывную подачу питающего напряжения на гиромотор, не препятствуя вращению внешней рамки. Измеряя время одного оборота рамки Т, можно экспериментально определить угловую скорость прецессии
.
Теоретическое значение угловой скорости прецессии можно вычислить в рамках элементарной теории гироскопа по формуле
,
z
где J - момент инерции ротора гиромотора относительно оси вращения;
1
ω - угловая скорость вращения ротора гиромотор;
θ - угол нутации, приблизительно равный в данном случае 90°.
На фиг. 2 представлен график зависимости  от момента М (сплошная линия) и значения , полученные опытным путем (точки). Сравнение величин угловой скорости прецессии, найденных экспериментально и вычисленных теоретически для различных значений моментов внешней силы, показывает их достаточно точное совпадение.