影响陀螺的因素你知道几个?不能完全消除,导致它淡出人们视野

影响陀螺的因素你知道几个?不能完全消除,导致它淡出人们视野
2020年06月25日 18:58 家事齐说

上次课程我们介绍了陀螺仪及它的稳定性中的定轴性,这次小航和大家分享一下双自由度陀螺的另一种表现形式——章动,及影响陀螺稳定性的因素。我们首先来看什么是陀螺的章动呢?

什么是章动呢?当陀螺转子高速旋转后,如果

受到一个瞬时冲击外力矩的作用,或者原来作用的外力矩突然消失

,陀螺自转轴会在外力矩变化前的位置附近做微小的圆锥运动,这个圆锥角很小,可以认为自转轴在空间的方向基本保持不变。

我们利用教具演示一下反映两自由度陀螺稳定性的定轴运动和章动现象。可以看到:自转角速度高,转动惯量大,稳定性好;快停止时不稳定说明两自由度陀螺的三轴互相垂直,稳定性好

影响两自由度陀螺稳定性的因素主要有以下三方面。

自转角速度高,转动惯量大,稳定性越好;

两自由度陀螺的三轴互相垂直,稳定性好;

重不平衡力矩和摩擦力矩小,稳定性好;

其实,两自由度陀螺稳定性的好坏主要取决于自转角速度和转动惯量的大小,自转角速度越高,转子对自转轴的转动惯量越大,在同样的干扰力矩作用下自转轴的稳定性越好,自转角速度与转动惯量的向量积就是转子的角动量(动量矩),陀螺的稳定性实质上是角动量力图保持其方向不变的特性。

所谓角动量守恒可以通过一个实例进行理解,花样滑冰运动员绕自身旋转时,两臂内收相当于转动惯量减小,转速加快,保持了原有的角动量,两自由度陀螺三轴互相垂直,稳定性好,实际应用中,两自由度陀螺所稳定的部件通常固定于内框或外框上,转子高速旋转,自转轴越接近外框轴的垂直位置,陀螺越不容易绕内外框轴转动,稳定性越好。

而陀螺的重不平衡力矩和摩擦力矩是影响陀螺稳定性的内部因素,显然,,这是陀螺制造工艺上力求达到的最优效果。

这就是我们陀螺稳定性的另一种表现形式——章动,也就是在陀螺受到外力时,我们才能够将其对比出来。在现实的生活中,影响陀螺稳定性的原因的三个因素,应尽量减小这些因素对陀螺角动量的影响。

但是这三个因素,陀螺转动惯量大不能过大、始终使三轴互相垂直不易实现、重不平衡力矩和摩擦力矩小不能完全消除,导致我们刚体转子陀螺的精度必然受到限制,也促使人们不断寻找新理论、新方法来解决这些问题。

在我们的生活中都有哪些现象和陀螺的稳定性有关呢?欢迎大家在评论区留言,我们下次再进行分享。感谢大家的一直关注。

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