多功能剛體陀螺進(jìn)動演示儀/多功能演示儀

型號：HY-GT300 型

一、多功能剛體進(jìn)動演示儀概述：

多功能剛體進(jìn)動演示儀它可以演示剛體運動、定向陀螺、單軌車行進(jìn)、航空航海及體育運動中的各種運動狀態(tài)。不但驗證了有關(guān)定理定律，而且富有啟發(fā)性、科學(xué)性及趣味性。該儀器適用于大學(xué)、中學(xué)、中專、職專及航空、航海、體育、校中物理，力學(xué)，流體等課程的演示教學(xué)和科研基礎(chǔ)裝置。

二、多功能剛體進(jìn)動演示儀儀器結(jié)構(gòu)：

從力學(xué)的觀點近似的分析陀螺的運動時，可以把它看成是一個剛體，剛體上有一個萬向支點，而陀螺可以繞著這個支點作三個**度的轉(zhuǎn)動，所以陀螺的運動是屬于剛體繞一個定點的轉(zhuǎn)動運動。更確切地說，一個繞對稱軸高速旋轉(zhuǎn)的飛輪轉(zhuǎn)子叫陀螺。將陀螺安裝在框架裝置上，使陀螺的自轉(zhuǎn)軸有角轉(zhuǎn)動的**度，這種裝置的體叫做陀螺儀。儀器由加速電機(jī)（8000r.p.m）高速旋轉(zhuǎn)體、陀螺儀、支架、轉(zhuǎn)盤、曲線導(dǎo)軌及附件組成，根據(jù)所需實驗可單獨組合。

三、陀螺儀的基本部件有：

1) 陀螺轉(zhuǎn)子(常采用同步電機(jī)、磁滯電機(jī)、三相交流電機(jī)等拖動方法來使陀螺轉(zhuǎn)子繞自轉(zhuǎn)軸高速旋轉(zhuǎn)，并見其轉(zhuǎn)速近似為常值)；

2) 內(nèi)、外框架(或稱內(nèi)、外環(huán)，它是使陀螺自轉(zhuǎn)軸獲得所需角轉(zhuǎn)動**度的結(jié)構(gòu))；

3) 附件(是指力矩馬達(dá)、信號傳感器、控制器等)。

四、 實驗原理

陀螺儀被用在飛機(jī)飛行儀表的心臟地位，是由于它的兩個基本特性：一為定軸性（inertia or rigidity），另一是進(jìn)動性（precession），這兩種特性都是建立在角動量守恒的原則下。

4.1 定軸性

當(dāng)三**度陀螺轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)后，若不受外力矩的作用，不管基座如何轉(zhuǎn)動，支撐在萬向支架上的 陀螺儀自轉(zhuǎn)軸指向慣性空間的方位不變，這種特性叫“定軸性”。如果我們以地球為基準(zhǔn)，則可以認(rèn)為三**度陀螺相對于地球運動，這種運動稱為陀螺的假視運動或視在運動。視在運動是陀螺穩(wěn)定性的表現(xiàn)。

其慣性隨以下的物理量而改變：

1）轉(zhuǎn)子質(zhì)量愈大，轉(zhuǎn)動慣量I愈大；

2）轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)半徑愈大，轉(zhuǎn)動慣量I愈大；

3）轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度愈高，轉(zhuǎn)動慣量I愈大；

4.2 進(jìn)動性

在運轉(zhuǎn)中的陀螺儀，如果外界施一作用或力矩在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸上，則旋轉(zhuǎn)軸并不沿施力方向運動，而是順著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)向前90度垂直施力方向運動，此現(xiàn)象即是進(jìn)動性。

進(jìn)動性的大小也有三個影響的因素：

1）外界作用力愈大，其進(jìn)動性也愈大；

2）轉(zhuǎn)子的質(zhì)量慣性矩（moment of inertia）愈大，進(jìn)動性愈??；

3）轉(zhuǎn)子的角速度愈大，進(jìn)動性愈??；

而進(jìn)動方向可根據(jù)進(jìn)動性原理取決于施力方向及轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向

五、 實驗系統(tǒng)性能

1）剛體陀螺儀

尺寸：200*200*200mm

重量: 1.6Kg
2）轉(zhuǎn)子電機(jī)：直流無刷電機(jī)（雙電機(jī)結(jié)構(gòu)）；
3）電機(jī)轉(zhuǎn)速：0~6000r/min（可調(diào)）；
4）電源

電壓：DC +12V

電流：3A

六、 實驗系統(tǒng)特點

1）采用三**度剛體陀螺結(jié)構(gòu)，可進(jìn)行完善的陀螺實驗及演示；

2）轉(zhuǎn)子電機(jī)采用高速無刷電機(jī)，轉(zhuǎn)速平穩(wěn)，壽命長；

3）轉(zhuǎn)子采用雙電機(jī)結(jié)構(gòu)，保障了轉(zhuǎn)子的對稱性，并加大了轉(zhuǎn)子驅(qū)動力矩，啟動速度快；

4）配置有控制器，可以完成轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制，方便實驗；

七、實驗操作

將剛體陀螺儀器平放在桌面上，儀器周轉(zhuǎn)保留一定空間。

1）接通電源，打開開關(guān)；

2）設(shè)置轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速：大、中、小；

3）啟動陀螺，觀察陀螺轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速是否已經(jīng)穩(wěn)定；

4）定軸性實驗

當(dāng)三**度陀螺轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)后，若不受外力矩的作用，不管基座如何轉(zhuǎn)動，支撐在萬向支架上的陀螺儀自轉(zhuǎn)軸指向慣性空間的方位不變，這種特性叫“定軸性”。

當(dāng)陀螺轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定后，手持基座分別繞剛體陀螺三個軸轉(zhuǎn)動，觀測剛體陀螺儀轉(zhuǎn)子軸的指向的變化。

分別改變轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速大中小，觀測陀螺轉(zhuǎn)子軸的變化。

5）進(jìn)動性實驗

進(jìn)動性是三**度陀螺儀的一個基本特性。陀螺儀繞著與外力矩矢量相垂直的方向的轉(zhuǎn)動，叫做進(jìn)動，其轉(zhuǎn)動角速度叫做進(jìn)動角速度。

進(jìn)動角速度的方向取決于轉(zhuǎn)子動量矩H和外力矩M的方向。外加力矩沿陀螺自轉(zhuǎn)方向轉(zhuǎn)動90°即為進(jìn)動角速度( )矢量方向。或者用右手定則記憶：從動量矩H沿*短路徑握向外力矩M的右手旋進(jìn)方向，即為進(jìn)動角速度方向。

通過控制器可改變轉(zhuǎn)子飛輪正反轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)速，從而控制動量矩H的方向和大小，通過內(nèi)框兩側(cè)不同一側(cè)加掛已知重量砝碼，改變外力矩M的大小和方向，動量矩H為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量和轉(zhuǎn)速的乘積，方向符合右手定則

八、多功能剛體進(jìn)動演示儀實驗：

1、 定向陀螺：將高速電動機(jī)接通電源（AC220V50HZ）腳踏開關(guān)放置地面。將陀螺拿起并把四個環(huán)置于一個平面，把旋轉(zhuǎn)體軸放在電機(jī)上方支架較深槽內(nèi)，使旋轉(zhuǎn)體外圓與膠輪接觸，用手把穩(wěn)、腳踏開關(guān)，電機(jī)膠輪靠摩擦把旋轉(zhuǎn)體帶轉(zhuǎn)約半分鐘后，抬腳關(guān)閉電機(jī)，把陀螺拿開，即可進(jìn)行演示。

2、 單軌車行進(jìn)：將一獨立的旋轉(zhuǎn)體，用加速膠輪加速后把滑輪一端放在曲線導(dǎo)軌上端即可演示。

3、 轉(zhuǎn)盤進(jìn)動：將陀螺環(huán)架從底座上取下，把帶軸承的圓盤放在底座上，轉(zhuǎn)盤可靈活旋轉(zhuǎn)，按上述方法把轉(zhuǎn)體帶轉(zhuǎn)后，T型架放置于圓盤上并使重心偏置，旋轉(zhuǎn)體在重力矩作用下帶動轉(zhuǎn)盤完成進(jìn)動演示。

4、 陀螺進(jìn)動：把轉(zhuǎn)盤取下，將凹槽支撐體放在底座上，用上述方法把旋轉(zhuǎn)體帶轉(zhuǎn)后，將滑輪頭放在凹槽內(nèi)即可演示。

5、 繞支撐軸進(jìn)動：將帶軸承的支撐架放在底座上，用上述方法把旋轉(zhuǎn)體帶轉(zhuǎn)后，再把旋轉(zhuǎn)體軸平放在凹槽上即可演示。

6、 飛機(jī)俯沖演示：手持旋轉(zhuǎn)體，讓其在鉛垂平面內(nèi)作大圓周運動，可明顯感覺旋轉(zhuǎn)體在作曲線運動時受偏右方向的力（假設(shè)旋轉(zhuǎn)體順時針旋轉(zhuǎn)）致使旋轉(zhuǎn)體偏向右方，說明“飛機(jī)”要完成鉛垂平面內(nèi)的“俯沖”動作應(yīng)打“左舵”方能完成大圓周運動軌跡。

九、注意事項：

1、 旋轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)速達(dá)6000—8000r.p.m，實驗中手避免與轉(zhuǎn)體接觸，注意安全。

2、 加速時可手持軸，避免振動過大。

3、 做進(jìn)動實驗完畢旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)體可放在電機(jī)盒上方支架較淺槽內(nèi)，讓其自行停止。

4、 加速電機(jī)盡量避免空載啟動。