- •Введение
- •1. Динамика системы материальных точек
- •1.1. Второй закон Ньютона для системы материальных точек
- •1.2. Теорема о движении центра масс системы
- •1.3. Момент силы и момент импульса относительно неподвижного начала
- •1.4. Момент импульса и момент сил относительно неподвижной оси
- •1.5. Уравнение момента импульса для вращения вокруг неподвижной оси. Момент инерции
- •2. Динамика твердого тела
- •2.1. Число степеней свободы твердого тела. Углы Эйлера
- •2.2. Виды движения твердого тела
- •2.3. Уравнения движения
- •2.4. Вычисление момента инерции относительно оси вращения
- •2.5. Теорема Гюйгенса
- •2.6. Понятие о тензоре инерции
- •2.7. Кинетическая энергия вращающегося твердого тела
- •2.8. Плоское движение твердого тела
- •Физический маятник
- •Скатывание цилиндра с наклонной плоскости
- •2.9. Движение твердого тела, закрепленого в точке
- •2.10. Свободные оси
- •2.11. Нутация
- •2.12. Гироскопы
- •2.13. Прецессия гироскопа
- •2.14. Прецессия волчка
- •2.15. Несвободный гироскоп
- •2.16. Применение гироскопов
- •634050, Томск, пр. Ленина, 34а, тел. (382-2) 23-33-35
2.13. Прецессия гироскопа
Пусть
сначала гироскоп уравновешен телом
массой m.
Тогда действие силы тяжести уравновешено
реакцией опоры, как и в кардановом
подвесе. При закручивании ротора его
ось остается неподвижной в пространстве,
так как момент механического импульса
постоянен. Нарушим равновесие, сместив
тело вправо (или подвесив около него
дополнительное тело малой массы).
Появившийся вращающий момент
,
казалось бы, должен повернуть гироскоп
в вертикальной плоскости вокруг оси Z.
Однако опыт показывает, что волчок
поворачивается вокруг оси Y.
Конечно, никакого противоречия законам
механики здесь нет. Под действием
вращающего момента гироскоп приобретает
добавочный момент импульса
.
Этот
момент векторно складывается с
первоначальным моментом
.
Вектор суммарного момента
поворачивается относительно вектора
на угол
(вокруг
вертикальной оси Y),
где
– угловая скорость этого
вращения, называемого прецессией.
Следовательно, поворачивается и весь
волчок, а с ним и векторы
и
.
Поэтому прецессия происходит непрерывно.
Направление вращения зависит от
направления
и
.
За малый промежуток времени
вектор
успеет повернуться на малый угол. Тогда
из векторной диаграммы получаем
.
Поэтому
угловая скорость прецессии оказывается
равной
и
остается постоянной неограниченно
долго, если момент
остается неизменным.
Прецессия – движение безинерционное. Если прекратить внешнее воздействие, прецессия мгновенно прекращается, так как перестает меняться момент импульса . Дело в том, что дополнительный вращающий момент определяет угловую скорость прецессии; поэтому при его исчезновении исчезает и скорость (но угол поворота за время существования прецессии, конечно, остается). Привычным же для нас случаем является приобретение телом ускорения под действием силы; при прекращении действия силы ускорение исчезает, но сохраняется приобретенная телом скорость.
Полная
скорость движения гироскопа равна сумме
и не совпадает по направлению с
направлением оси гироскопа. Но так как
,
то, несмотря на наличие прецессии, можно
считать, что угловая скорость быстрого
вращения
все время совпадает с направлением оси
гироскопа и момента импульса
.
Если на гироскоп, совершающий прецессию,
подействовать дополнительной силой
в направлении прецессии, то она создаст
момент
,
направленный вверх, и ось гироскопа
будет подниматься. Наоборот, сила,
тормозящая прецессию, создаст момент,
направленный вниз, в результате действия
которого ось гироскопа опускается.
Поэтому в результате действия сил
трения, сил сопротивления и других
тормозящих сил грузик m
будет медленно и непрерывно опускаться.
Это движение можно рассматривать как
дополнительную прецессию вокруг
горизонтальной оси.
Это явление можно объяснить, используя принцип Ле-Шателье: на всякое внешнее воздействие система отвечает такими изменениями, которые стремятся ослабить это воздействие. Прецессия – реакция гироскопа, ослабляющая внешнее воздействие, то есть позволяющая грузику опускаться. Если такую реакцию усилить силой, направленной в сторону прецессии, то реакция усилится, и грузик будет подниматься.
