剛體陀螺演示儀用于高校教學演示陀螺的定軸性和進動性

多功能剛體進動演示儀/多功能演示儀??
多功能剛體進動演示儀/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曾獲得第七屆中國專利新技術新產品博覽會金獎。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。不但驗證了有關定理定律，而且富有啟發性、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、部隊院校中物理，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：
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，根據所需實驗可單獨組合。
三、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、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。
四、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。

型號: HY-GT300? 品牌: HY-3DM? 產地: 中國大陸?

剛 體 陀 螺 儀 實 驗 系 統
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剛體陀螺演示儀用于高校教學演示陀螺的定軸性和進動性

剛體陀螺儀陀螺特性定軸性和進動性 機械陀螺 慣性制導演示

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

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??在現實生活中，陀螺儀發生的進動是在重力力矩的作用下發生的。

用途：高校老師給學生講解陀螺的特性時的教具，陀螺力學原理的講解工具，也是中學生創新實驗陀螺儀的有力工具。

?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自由度的轉動，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，它是使陀螺自轉軸獲得所需角轉動自由度的結構)；

??(3) 附件(是指力矩馬達、信號傳感器等)。

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。

1.1、定軸性

當陀螺轉子以極高速度旋轉時，就產生了慣性，這慣性使得陀螺轉子的旋轉軸保持在空間，指向一個固定的方向，同時反抗任何改變轉子軸向的力量，這種物理現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）轉子質量愈大，慣性愈大；

2）轉子旋轉半徑愈大，慣性愈大；

3）轉子旋轉速度愈大，慣性愈大；

1.2、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，進動性愈小；

3）轉子的角速度愈大，進動性愈小；

而進動方向可根據進動性原理取決于施力方向及轉子旋轉方向。

實驗目的

直觀地演示旋轉剛體（陀螺）的定軸性，和在外力作用下的進動性。

1.3、實驗系統性能? (剛體陀螺儀實驗儀器)

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.轉子電機：直流有刷電機。（雙電機結構）；

6.電機轉速：0-5000轉/分鐘或0-6000r/min，可調

1.4、實驗系統特點

1）采用三自由度剛體陀螺結構，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，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）配置有專用控制器，可以完成轉子轉速控制，方便實驗；

1.4.1 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、小；

3）啟動陀螺，觀察陀螺轉子轉速是否已經穩定；

4）定軸性實驗

當三自由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。

實驗步驟

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、緩幔調節電源輸出電壓，可見陀螺開始平穩轉動，無異常振動雜音。

3、調電壓至最大值，約12V；待轉速穩定后，即可觀察陀螺轉動特性。

4、當陀螺高速旋轉起來時，將陀螺拿起，觀察陀螺轉軸的角度變化，驗證定軸性實驗。

5、給陀螺儀外框施加一個力，觀察內框的轉動；給陀螺儀內框施加一個力，觀察外框的轉動。驗證進動性實驗。

6、進動性實驗

進動性是三自由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沿最短路徑握向外力矩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

進動角速度計算公式：ω=M/H sinθ

當θ=90°時，sinθ=1，所以

ω=M/H =M/Iωr

6）關閉電源，斷開開關；

7）撤收儀器設備。

5、 注意事項

1）陀螺飛輪高速旋轉時，不可用手觸摸或試圖阻止其轉轉；

2）實驗系統工作時，尤其是陀螺轉子處于高速旋狀態下，必須有人在場；

3）剛體陀螺儀屬于精密機械結構，操作中應當輕拿輕放，以免損壞設備。

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5.適用課程

慣性傳感器原理、慣性導航原理、導航制導與控制、飛行控制原理、無人機實訓實驗、基礎力學、剛體力學、陀螺力學、理論力學、新型傳感器原理及應用等。

合作院校：

北京航空航天大學??????????????? 儀器科學與工程系先進導航實驗室

北京信息科技大學??????????????? 自動化學院? 導航工程

桂林理工大學??????????????????????? 自動化專業? 導航工程

南開大學??????????????????????????????? 自動化

哈爾濱工程大學???????????????????? 航空航天專業

上海工程技術大學???????????????? 飛行控制專業

海軍工程大學???????????????????????? 航海技術專業

大連艦艇大學???????????????????????? 航海工程技術

南京航空航天大學??????????????? 自動化專業

北京信息科技大學??????????????? 自動化專業

南京大學??????????????????????????????? 通訊專業

同濟大學??????????????????????????????? 軟件學院

東南大學??????????????????????????????? 導航與制導