多功能剛體陀螺進動演示儀/多功能演示儀

型號：HY-GT300 型

一、多功能剛體進動演示儀概述：

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

二、多功能剛體進動演示儀儀器結構：

從力學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**度的轉動，所以陀螺的運動是屬于剛體繞一個定點的轉動運動。更確切地說，一個繞對稱軸高速旋轉的飛輪轉子叫陀螺。將陀螺安裝在框架裝置上，使陀螺的自轉軸有角轉動的**度，這種裝置的體叫做陀螺儀。儀器由加速電機（8000r.p.m）高速旋轉體、陀螺儀、支架、轉盤、曲線導軌及附件組成，根據(jù)所需實驗可單獨組合。

三、陀螺儀的基本部件有：

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

2) 內、外框架(或稱內、外環(huán)，它是使陀螺自轉軸獲得所需角轉動**度的結構)；

3) 附件(是指力矩馬達、信號傳感器、控制器等)。

四、 實驗原理

陀螺儀被用在飛機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

當三**度陀螺轉子高速旋轉后，若不受外力矩的作用，不管基座如何轉動，支撐在萬向支架上的 陀螺儀自轉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，則可以認為三**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）轉子質量愈大，轉動慣量I愈大；

2）轉子旋轉半徑愈大，轉動慣量I愈大；

3）轉子旋轉速度愈高，轉動慣量I愈大；

4.2 進動性

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

進動性的大小也有三個影響的因素：

1）外界作用力愈大，其進動性也愈大；

2）轉子的質量慣性矩（moment of inertia）愈大，進動性愈??；

3）轉子的角速度愈大，進動性愈小；

而進動方向可根據(jù)進動性原理取決于施力方向及轉子旋轉方向

五、 實驗系統(tǒng)性能

1）剛體陀螺儀

尺寸：200*200*200mm

重量: 1.6Kg
2）轉子電機：直流無刷電機（雙電機結構）；
3）電機轉速：0~6000r/min（可調）；
4）電源

電壓：DC +12V

電流：3A

六、 實驗系統(tǒng)特點

1）采用三**度剛體陀螺結構，可進行完善的陀螺實驗及演示；

2）轉子電機采用高速無刷電機，轉速平穩(wěn)，壽命長；

3）轉子采用雙電機結構，保障了轉子的對稱性，并加大了轉子驅動力矩，啟動速度快；

4）配置有控制器，可以完成轉子轉速控制，方便實驗；

七、實驗操作

將剛體陀螺儀器平放在桌面上，儀器周轉保留一定空間。

1）接通電源，打開開關；

2）設置轉子轉速：大、中、??；

3）啟動陀螺，觀察陀螺轉子轉速是否已經穩(wěn)定；

4）定軸性實驗

當三**度陀螺轉子高速旋轉后，若不受外力矩的作用，不管基座如何轉動，支撐在萬向支架上的陀螺儀自轉軸指向慣性空間的方位不變，這種特性叫“定軸性”。

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

分別改變轉子轉速大中小，觀測陀螺轉子軸的變化。

5）進動性實驗

進動性是三**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動，叫做進動，其轉動角速度叫做進動角速度。

進動角速度的方向取決于轉子動量矩H和外力矩M的方向。外加力矩沿陀螺自轉方向轉動90°即為進動角速度( )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的右手旋進方向，即為進動角速度方向。

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

八、多功能剛體進動演示儀實驗：

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

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

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

4、 陀螺進動：把轉盤取下，將凹槽支撐體放在底座上，用上述方法把旋轉體帶轉后，將滑輪頭放在凹槽內即可演示。

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

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

九、注意事項：

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

2、 加速時可手持軸，避免振動過大。

3、 做進動實驗完畢旋轉的旋轉體可放在電機盒上方支架較淺槽內，讓其自行停止。

4、 加速電機盡量避免空載啟動。