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陀螺物理学术语、力学特性、应用场景
上传时间:2019-02-12 20:57点击:

陀螺(gyroscope; gyro)是指工程中具有固定点的、绕对称轴做高速 自转的对称刚体。其自转轴称为陀螺主轴。  因为支承方式、刚体形状和质量散布的不同而有各种方式的陀螺。陀螺的转速高,所以它具有一些特别的动力学特性。 
支点和刚体的质心重合的陀螺称为平衡陀螺。不然称为重力陀螺。刚体质量均匀散布,且以其几许对称轴作自转轴的陀螺称为对称陀螺。在这种情况下,刚体关于支点的惯量椭球称为旋转椭球,刚体关于对称轴的滚动惯量称为极滚动惯量;刚体关于另两个过支点的惯量主轴(见惯量张量 )的滚动惯量称为赤道滚动惯量。  陀螺是一个绕支点运动的刚体,所以刚体的定点运动的运动学和动力学方程都适用于陀螺。 
 

开展简史

 
18世纪欧拉树立的动力学方程和欧拉运动学方程,为陀螺运动的理论奠定了根底。可是制作出一个有用的陀螺却阅历了长期的探究。19世纪中期,跟着钢制外壳船只的呈现,本来所用的磁罗盘不再适用,因而用陀螺导航的要求日益火急。在第一次世界大战中,美国海军制成了陀螺导航仪,并很快被其他国家所选用。跟着帆海和航空事业的开展,陀螺仪已成为不行短少的精细导航仪器。20世纪初呈现了飞机的陀螺安稳器和自动驾驶仪。但直到1940年后,陀螺罗盘才彻底替代了磁罗盘,1950年呈现了惯性导航系统。 
  不管制作得多么精细的陀螺,要彻底消除轴承的冲突力并使质心和支点重合是不行能的,因而就会发生外加搅扰力矩的效果,引起陀螺转子自转轴的缓慢进动,称为陀螺漂移。这时的进动角速度称为漂移角速度。陀螺漂移角速度的巨细是衡量陀螺精度凹凸的标志。为最大极限地削减漂移,近代陀螺的研究课题首要是怎么完成无搅扰力矩的支承。首要途径是用电场力来替代支架,完成无支承悬浮。假如转子是个规范的球形,则电场力经过其中心,然后完成无冲突的悬浮。另一个途径是用磁场力来完成转子的悬浮,但要求转子有必要是用超导体制作的,才能使磁力线垂直于球形转子的外表且不穿透它的外表。这就是近代电陀螺和磁陀螺的根本想象。 
 

力学特性

因为陀螺具有定轴性、进动性等力学特性(见陀螺力学),因而可制成陀螺仪、陀螺安稳器,导航渠道等设备,用于不同的工程技术范畴。从力学上看,陀螺的意义更为广泛。高速自旋的炮弹在飞翔中并无固定点,但其相对质心的运动就是典型的陀螺运动,依靠了陀螺的安稳性才不致翻跟斗。 
高速自转的三自由度陀螺的自转轴具有安稳性,这就是陀螺运动的安稳性,是陀螺运动的又一个力学特性。 

 

使用

大型电机转子的滚动轴遭到轴承束缚,但在转轴变形时,滚动轴可在空间改动方向,随同发生的陀螺效应将改动转子的临界转速。地球绕南北极轴自转,自转角速度极为缓慢,但因自滚动量矩非常巨大,因而地球也是一个内充液体外带气圈的大陀螺。地球南北极轴在星空的指向也以25,800年为周期缓慢改动,称为岁差。航天器为了安稳与控制自己的姿势运动,常在内部设备动量飞轮(一个或三个),称为陀螺体卫星。因而,只要能绕某轴滚动,而此轴又可绕某汇交轴滚动的刚体或准刚体,一般都可称为陀螺。 
使陀螺的转子作惯性滚动的陀螺仪可完成惯性导航。可是因为地球自身的自转,这种陀螺的转轴并不指向地球上的某个固定方向。用于导航上的陀螺它的自转轴应一向指向北方,因而有必要给陀螺加上一个同地球的自转角速度持平的进动角速度,并使外环轴和转子的自转轴永久处于子午面内。这种一直指向地球北方的陀螺设备称为陀螺罗盘。相同也能够制效果于表征飞机姿势的各种专用陀螺。 



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