Гироскоп и его основные свойства

Основной частью всех гироскопических приборов, в том числе и гирокомпасов, является гироскоп. В общей динамике твердого тела гироскопом называется тело произвольной формы, совершающее вращение около одной закрепленной точки, являющейся его опорой. Однако в гироскопических приборах применяются гироскопы в виде тяжелых динамически симметричных дисков, совершающих быстрое вращение вокруг оси симметрии и имеющих такую систему подвеса, которая позволяет осям их собственного вращения произвольно изменять направление в пространстве.

Поэтому в технике гироскопом называется тяжелое быстровращающееся симметричное твердое тело, ось вращения которого может изменять свое направление относительно любой системы координат, не связанной с гироскопом.

Термин «гироскоп» происходит от греческих слов «гирос» и «скопейн», что в переводе означает «наблюдать вращение».

Для уяснения понятия «гироскоп» воспользуемся так называемым лабораторным гироскопом (рис. 3.1), в котором массивный диск 1, называемый ротором гироскопа, жестко укреплен на оси, входящей в два диаметрально противоположных подшипника внутреннего кольца 3. Эта ось называется главной осью гироскопа (ось X — X). Вокруг главной оси ротору гироскопа сообщается весьма быстрое вращение, называемое собственным или главным вращением.

Цапфы внутреннего кольца входят в подшипники вертикального кольца 2, определяя горизонтальную ось гироскопа (ось Y— Y). Вокруг этой оси ротор гироскопа может поворачиваться вместе с внутренним кольцом.

Цапфы вертикального кольца входят в подшипники наружного кольца 4, укрепленного на подставке 5. В наружном кольце ротор гироскопа может поворачиваться вместе с внутренним и вертикальным кольцами вокруг вертикальной оси (ось Z — Z).

Все три оси гироскопа пересекаются в одной точке, называемой точкой подвеса ротора гироскопа, причем ось Y — Y перпендикулярна как оси X — X, так и оси Z — Z. Точка подвеса остается неподвижной при вращении гироскопа вокруг любой из его осей. Такой подвес ротора гироскопа называется кардановым подвесом, а кольца подвеса — кардановыми кольцами. В теории гироскопии рассматриваются только поворотные движения гироскопа. Если гироскоп может поворачиваться одновременно вокруг трех осей, то он называется гироскопом с тремя степенями свободы. Если лишить гироскоп возможности поворачиваться вокруг одной из осей Y — Y или Z — Z, то гироскоп будет с двумя степенями свободы. Такой гироскоп называют также связанным гироскопом. Лишив гироскоп возможности поворачиваться вокруг обеих осей Y — Y и Z — Z, получим гироскоп с одной степенью свободы.

Гироскоп с тремя степенями свободы, центр тяжести которого совмещен с точкой подвеса, называется уравновешенным гироскопом. Ротор уравновешенного гироскопа находится в состоянии безразличного равновесия при любом положении его главной оси, так как в этом случае сила тяжести гироскопа уравновешивается реакцией опоры.

Рис.3.1 Лабораторный гироскоп 1 – ротор; 2- вертикальное кольцо; 3 – внутреннее кольцо; 4 – наружное кольцо; 5 – подставка

В гироскопических компасах гироскоп заключают в специальную камеру, которая выполняет роль внутреннего кольца лабораторного гироскопа. Эта камера называется гироскопической камерой (гирокамерой). В одних гирокомпасах гирокамера подвешена в кардановых кольцах, в других — помещается в герметическую сферу, называемую гиросферой, которая плавает в жидкости.

Для придания гироскопу быстрого вращения внутри гирокамеры укладывают статорную обмотку, питающуюся, как правило, трехфазным током повышенной частоты. Ротор же имеет короткозамкнутую обмотку типа «беличье колесо». Таким образом, гиромотор выполнен по такому же принципу, как трехфазный асинхронный электродвигатель.

Свободный гороскоп и его основное свойство

Уравновешенный гироскоп, у которого сумма моментов всех внешних сил, включая силы трения в подвесе, равна нулю, называется свободным гироскопом.

Практически создать свободный гироскоп пока не представляется возможным. Однако существующие гироскопы имеют настолько малые силы трения в подвесе, что по своим свойствам приближаются к свободному гироскопу.

Это означает, что главная ось гироскопа сохраняет неизменным первоначально заданное направление в пространстве. В этом и заключается основное свойство свободного гироскопа.

Рис. 3.2. Видимое движение свободного гироскопа, установленного на эквато- ре (в начальный момент времени главная ось гироскопа горизонтальна и направлена с запада на восток)

Основное свойство свободного гироскопа объясняется инерцией. Все точки вращающегося ротора имеют скорости, направленные в плоскости вращения, и каждая точка стремится сохранить неизменной в пространстве плоскость своего вращения. На этом основании плоскость вращения всего ротора, а следовательно, и его главная ось также сохраняют неизменными в пространстве первоначальные направления.

Чем больше угловая скорость вращения ротора, тем большим кинетическим моментом обладает гироскоп и тем сильнее выражено его свойство сохранять неизменным первоначальное направление своей оси в пространстве.

Пользуясь свободным гироскопом, можно проследить суточное вращение Земли вокруг ее оси. Действительно, если ось свободного гироскопа сохраняет неизменным свое первоначальное направление в пространстве, а сама Земля вращается, то наблюдатель должен увидеть, что ось гироскопа поворачивается относительно Земли. Если направить главную ось свободного гироскопа на какую-либо звезду, то ось гироскопа, сохраняя направление на звезду неизменным, будет вместе с ней изменять свой азимут и высоту, так как плоскости мери­диана наблюдателя и истинного горизонта вращаются в пространстве вместе с Землей. Такое изменение положения главной оси гироскопа относительно меридиана и горизонта называется видимым движением.

Рассмотрим несколько случаев видимого движения свободного гироскопа, установленного в разных точках земной поверхности.