剛體陀螺演示儀用于高校教學(xué)演示陀螺的定軸性和進(jìn)動(dòng)性

多功能剛體進(jìn)動(dòng)演示儀/多功能演示儀??
多功能剛體進(jìn)動(dòng)演示儀/多功能演示儀 型號(hào)：HY-GT300 型
一、多功能剛體進(jìn)動(dòng)演示儀概述：
多功能剛體進(jìn)動(dòng)演示儀曾獲得第七屆中國專利新技術(shù)新產(chǎn)品博覽會(huì)金獎(jiǎng)。它可以演示剛體運(yùn)動(dòng)、定向陀螺、單軌車行進(jìn)、航空航海及體育運(yùn)動(dòng)中的各種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。不但驗(yàn)證了有關(guān)定理定律，而且富有啟發(fā)性、科學(xué)性及趣味性。該儀器適用于大學(xué)、中學(xué)、中專、職專及航空、航海、體育、部隊(duì)院校中物理，力學(xué)，流體等課程的演示教學(xué)和科研基礎(chǔ)裝置。
二、多功能剛體進(jìn)動(dòng)演示儀儀器結(jié)構(gòu)：
儀器由加速電機(jī)（8000r.p.m）高速旋轉(zhuǎn)體、陀螺儀、支架、轉(zhuǎn)盤、曲線導(dǎo)軌及附件組成，根據(jù)所需實(shí)驗(yàn)可單獨(dú)組合。
三、多功能剛體進(jìn)動(dòng)演示儀實(shí)驗(yàn)：
1、 定向陀螺：將高速電動(dòng)機(jī)接通電源（AC220V50HZ）腳踏開關(guān)放置地面。將陀螺拿起并把四個(gè)環(huán)置于一個(gè)平面，把旋轉(zhuǎn)體軸放在電機(jī)上方支架較深槽內(nèi)，使旋轉(zhuǎn)體外圓與膠輪接觸，用手把穩(wěn)、腳踏開關(guān)，電機(jī)膠輪靠摩擦把旋轉(zhuǎn)體帶轉(zhuǎn)約半分鐘后，抬腳關(guān)閉電機(jī)，把陀螺拿開，即可進(jìn)行演示。
2、 單軌車行進(jìn)：將一獨(dú)立的旋轉(zhuǎn)體，用加速膠輪加速后把滑輪一端放在曲線導(dǎo)軌上端即可演示。
3、 轉(zhuǎn)盤進(jìn)動(dòng)：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(zhuǎn)盤可靈活旋轉(zhuǎn)，按上述方法把轉(zhuǎn)體帶轉(zhuǎn)后，T型架放置于圓盤上并使重心偏置，旋轉(zhuǎn)體在重力矩作用下帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤完成進(jìn)動(dòng)演示。
4、 陀螺進(jìn)動(dòng)：把轉(zhuǎn)盤取下，將凹槽支撐體放在底座上，用上述方法把旋轉(zhuǎn)體帶轉(zhuǎn)后，將滑輪頭放在凹槽內(nèi)即可演示。
5、 繞支撐軸進(jìn)動(dòng)：將帶軸承的支撐架放在底座上，用上述方法把旋轉(zhuǎn)體帶轉(zhuǎn)后，再把旋轉(zhuǎn)體軸平放在凹槽上即可演示。
6、 飛機(jī)俯沖演示：手持旋轉(zhuǎn)體，讓其在鉛垂平面內(nèi)作大圓周運(yùn)動(dòng)，可明顯感覺旋轉(zhuǎn)體在作曲線運(yùn)動(dòng)時(shí)受偏右方向的力（假設(shè)旋轉(zhuǎn)體順時(shí)針旋轉(zhuǎn)）致使旋轉(zhuǎn)體偏向右方，說明“飛機(jī)”要完成鉛垂平面內(nèi)的“俯沖”動(dòng)作應(yīng)打“左舵”方能完成大圓周運(yùn)動(dòng)軌跡。
四、注意事項(xiàng)：
1、 旋轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)速達(dá)6000—8000r.p.m，實(shí)驗(yàn)中手避免與轉(zhuǎn)體接觸，注意安全。
2、 加速時(shí)可手持軸，避免振動(dòng)過大。
3、 做進(jìn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)完畢旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)體可放在電機(jī)盒上方支架較淺槽內(nèi)，讓其自行停止。
4、 加速電機(jī)盡量避免空載啟動(dòng)。

型號(hào): HY-GT300? 品牌: HY-3DM? 產(chǎn)地: 中國大陸?

剛 體 陀 螺 儀 實(shí) 驗(yàn) 系 統(tǒng)
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剛體陀螺演示儀用于高校教學(xué)演示陀螺的定軸性和進(jìn)動(dòng)性

剛體陀螺儀陀螺特性定軸性和進(jìn)動(dòng)性 機(jī)械陀螺 慣性制導(dǎo)演示

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???陀螺儀（gyroscope）的原理就是，一個(gè)高速旋轉(zhuǎn)物體的旋轉(zhuǎn)軸所指的方向在不受外力影響時(shí)，是不會(huì)改變的。人們根據(jù)這個(gè)道理，用它來保持方向，制造出來的東西就叫陀螺儀。

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??在現(xiàn)實(shí)生活中，陀螺儀發(fā)生的進(jìn)動(dòng)是在重力力矩的作用下發(fā)生的。

用途：高校老師給學(xué)生講解陀螺的特性時(shí)的教具，陀螺力學(xué)原理的講解工具，也是中學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)陀螺儀的有力工具。

?結(jié)構(gòu)

從力學(xué)的觀點(diǎn)近似的分析陀螺的運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以把它看成是一個(gè)剛體，剛體上有一個(gè)萬向支點(diǎn)，而陀螺可以繞著這個(gè)支點(diǎn)作三個(gè)自由度的轉(zhuǎn)動(dòng)，所以陀螺的運(yùn)動(dòng)是屬于剛體繞一個(gè)定點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)。更確切地說，一個(gè)繞對(duì)稱軸高速旋轉(zhuǎn)的飛輪轉(zhuǎn)子叫陀螺。將陀螺安裝在框架裝置上，使陀螺的自轉(zhuǎn)軸有角轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度，這種裝置的總體叫做陀螺儀。

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陀螺儀的基本部件有：

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

??(2) 內(nèi)、外框架(或稱內(nèi)、外環(huán)，它是使陀螺自轉(zhuǎn)軸獲得所需角轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的結(jié)構(gòu))；

??(3) 附件(是指力矩馬達(dá)、信號(hào)傳感器等)。

實(shí)驗(yàn)原理

陀螺儀被用在飛機(jī)飛行儀表的心臟地位，是由于它的兩個(gè)基本特性：一為定軸性（inertia or rigidity），另一是進(jìn)動(dòng)性（precession），這兩種特性都是建立在角動(dòng)量守恒的原則下。

1.1、定軸性

當(dāng)陀螺轉(zhuǎn)子以極高速度旋轉(zhuǎn)時(shí)，就產(chǎn)生了慣性，這慣性使得陀螺轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸保持在空間，指向一個(gè)固定的方向，同時(shí)反抗任何改變轉(zhuǎn)子軸向的力量，這種物理現(xiàn)象稱為陀螺儀的定軸性或慣性。 其慣性隨以下的物理量而改變：

1）轉(zhuǎn)子質(zhì)量愈大，慣性愈大；

2）轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)半徑愈大，慣性愈大；

3）轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度愈大，慣性愈大；

1.2、進(jìn)動(dòng)性

在運(yùn)轉(zhuǎn)中的陀螺儀，如果外界施一作用或力矩在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸上，則旋轉(zhuǎn)軸并不沿施力方向運(yùn)動(dòng)，而是順著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)向前90度垂直施力方向運(yùn)動(dòng)，此現(xiàn)象即是進(jìn)動(dòng)性。

進(jìn)動(dòng)性的大小也有三個(gè)影響的因素：

1）外界作用力愈大，其進(jìn)動(dòng)性也愈大；

2）轉(zhuǎn)子的質(zhì)量慣性矩（moment of inertia）愈大，進(jìn)動(dòng)性愈小；

3）轉(zhuǎn)子的角速度愈大，進(jìn)動(dòng)性愈小；

而進(jìn)動(dòng)方向可根據(jù)進(jìn)動(dòng)性原理取決于施力方向及轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向。

實(shí)驗(yàn)?zāi)康?

直觀地演示旋轉(zhuǎn)剛體（陀螺）的定軸性，和在外力作用下的進(jìn)動(dòng)性。

1.3、實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)性能? (剛體陀螺儀實(shí)驗(yàn)儀器)

1. 剛體陀螺儀。

2. 儀器尺寸:230*230*230mm

3. 重量:2.6Kg

4. 電源220V/50Hz，輸出電壓9V，電流500MA,電壓：DC +12V,電流：3A

5.轉(zhuǎn)子電機(jī)：直流有刷電機(jī)。（雙電機(jī)結(jié)構(gòu)）；

6.電機(jī)轉(zhuǎn)速：0-5000轉(zhuǎn)/分鐘或0-6000r/min，可調(diào)

1.4、實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)特點(diǎn)

1）采用三自由度剛體陀螺結(jié)構(gòu)，可進(jìn)行完善的陀螺實(shí)驗(yàn)及演示；

2）轉(zhuǎn)子電機(jī)采用高速無刷電機(jī)，轉(zhuǎn)速平穩(wěn)，壽命長；

3）轉(zhuǎn)子采用雙電機(jī)結(jié)構(gòu)，保障了轉(zhuǎn)子的對(duì)稱性，并加大了轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)力矩，啟動(dòng)速度快；

4）配置有專用控制器，可以完成轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速控制，方便實(shí)驗(yàn)；

1.4.1 實(shí)驗(yàn)操作

將剛體陀螺儀器平放在桌面上，儀器周轉(zhuǎn)保留一定空間。

1）接通電源，打開開關(guān)；

2）設(shè)置轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速：大、中、??；

3）啟動(dòng)陀螺，觀察陀螺轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速是否已經(jīng)穩(wěn)定；

4）定軸性實(shí)驗(yàn)

當(dāng)三自由度陀螺轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)后，若不受外力矩的作用，不管基座如何轉(zhuǎn)動(dòng)，支撐在萬向支架上的陀螺儀自轉(zhuǎn)軸指向慣性空間的方位不變，這種特性叫“定軸性”。

當(dāng)陀螺轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定后，手持基座分別繞剛體陀螺三個(gè)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，觀測剛體陀螺儀轉(zhuǎn)子軸的指向的變化。

分別改變轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速大中小，觀測陀螺轉(zhuǎn)子軸的變化。

實(shí)驗(yàn)步驟

將剛體陀螺儀器平放在桌面上，儀器周轉(zhuǎn)保留一定空間。

1、接通電源，打開開關(guān)。

2、緩幔調(diào)節(jié)電源輸出電壓，可見陀螺開始平穩(wěn)轉(zhuǎn)動(dòng)，無異常振動(dòng)雜音。

3、調(diào)電壓至最大值，約12V；待轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，即可觀察陀螺轉(zhuǎn)動(dòng)特性。

4、當(dāng)陀螺高速旋轉(zhuǎn)起來時(shí)，將陀螺拿起，觀察陀螺轉(zhuǎn)軸的角度變化，驗(yàn)證定軸性實(shí)驗(yàn)。

5、給陀螺儀外框施加一個(gè)力，觀察內(nèi)框的轉(zhuǎn)動(dòng)；給陀螺儀內(nèi)框施加一個(gè)力，觀察外框的轉(zhuǎn)動(dòng)。驗(yàn)證進(jìn)動(dòng)性實(shí)驗(yàn)。

6、進(jìn)動(dòng)性實(shí)驗(yàn)

進(jìn)動(dòng)性是三自由度陀螺儀的一個(gè)基本特性。陀螺儀繞著與外力矩矢量相垂直的方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，叫做進(jìn)動(dòng)，其轉(zhuǎn)動(dòng)角速度叫做進(jìn)動(dòng)角速度。

進(jìn)動(dòng)角速度的方向取決于轉(zhuǎn)子動(dòng)量矩H和外力矩M的方向。外加力矩沿陀螺自轉(zhuǎn)方向轉(zhuǎn)動(dòng)90°即為進(jìn)動(dòng)角速度( )矢量方向。或者用右手定則記憶：從動(dòng)量矩H沿最短路徑握向外力矩M的右手旋進(jìn)方向，即為進(jìn)動(dòng)角速度方向。

通過控制器可改變轉(zhuǎn)子飛輪正反轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)速，從而控制動(dòng)量矩H的方向和大小，通過內(nèi)框兩側(cè)不同一側(cè)加掛已知重量砝碼，改變外力矩M的大小和方向，動(dòng)量矩H為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和轉(zhuǎn)速的乘積，方向符合右手定則

進(jìn)動(dòng)角速度計(jì)算公式：ω=M/H sinθ

當(dāng)θ=90°時(shí)，sinθ=1，所以

ω=M/H =M/Iωr

6）關(guān)閉電源，斷開開關(guān)；

7）撤收儀器設(shè)備。

5、 注意事項(xiàng)

1）陀螺飛輪高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，不可用手觸摸或試圖阻止其轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)；

2）實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)工作時(shí)，尤其是陀螺轉(zhuǎn)子處于高速旋狀態(tài)下，必須有人在場；

3）剛體陀螺儀屬于精密機(jī)械結(jié)構(gòu)，操作中應(yīng)當(dāng)輕拿輕放，以免損壞設(shè)備。

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5.適用課程

慣性傳感器原理、慣性導(dǎo)航原理、導(dǎo)航制導(dǎo)與控制、飛行控制原理、無人機(jī)實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)、基礎(chǔ)力學(xué)、剛體力學(xué)、陀螺力學(xué)、理論力學(xué)、新型傳感器原理及應(yīng)用等。

合作院校：

北京航空航天大學(xué)??????????????? 儀器科學(xué)與工程系先進(jìn)導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)室

北京信息科技大學(xué)??????????????? 自動(dòng)化學(xué)院? 導(dǎo)航工程

桂林理工大學(xué)??????????????????????? 自動(dòng)化專業(yè)? 導(dǎo)航工程

南開大學(xué)??????????????????????????????? 自動(dòng)化

哈爾濱工程大學(xué)???????????????????? 航空航天專業(yè)

上海工程技術(shù)大學(xué)???????????????? 飛行控制專業(yè)

海軍工程大學(xué)???????????????????????? 航海技術(shù)專業(yè)

大連艦艇大學(xué)???????????????????????? 航海工程技術(shù)

南京航空航天大學(xué)??????????????? 自動(dòng)化專業(yè)

北京信息科技大學(xué)??????????????? 自動(dòng)化專業(yè)

南京大學(xué)??????????????????????????????? 通訊專業(yè)

同濟(jì)大學(xué)??????????????????????????????? 軟件學(xué)院

東南大學(xué)??????????????????????????????? 導(dǎo)航與制導(dǎo)