Поняття про гіроскопічний ефект

Розглянемо один з різновидів гіроскопів - гіроскоп на карданному підвіччі (рис.2). Дисковидне тіло - гіроскоп закріплене на вісі АА, яка може обертатися навколо горизонтальної вісі ВВ, яка в свою чергу, може обертатися навколо вертикальної вісі СС. Всі 3 вісі перетинаються в одній точці Д, що є центром мас гіроскопа і зостаючись нерухомою, вісь гіроскопу може прийняти будь-який напрям в просторі. Силами тертя в підшипниках всіх трьох вісей і моментом руху кілець нехтуємо: тертя в підшипниках мале, то поки гіроскоп нерухомий, його вісі можна надати будь-який напрям. Якщо почати швидко обертати гіроскоп - (наприклад, за допомогою намотаної на вісі мотузочки) і обертати його підставку, то вісь гіроскопа зберігає своє положення в просторі незмінним. Це можна пояснити за допомогою основного закону динаміки обертального руху. Для гіроскопа, що вільно обертається, сила тяжіння не може змінити орієнтацію вісі його обертання. Бо ця сила прикладена до центру мас (центр обертання Д співпадає з центром мас), а момент сили тяжіння відносно закріпленого центра має дорівнювати нулю. Моментом сили тертя ми нехтуємо. Тому, якщо момент зовнішніх сил відносно його закріпленого центра мас дорівнює нулю, то як слідує з рівняння (11).

,

тобто момент кількості руху гіроскопа зберігає своє значення і напрям в просторі.

Незмінним буде і момент кількості руху гіроскопа відносно вісі обертання, рівний L = Jw і напрямлений вздовж вісі обертання. Отже, при даній умові вісь обертання гіроскопа зберігає своє положення в просторі.

Щоб вісь гіроскопа змінила свій напрям в просторі необхідно, згідно з (11), щоб момент зовнішніх сил, що прикладені до гіроскопа, що обертається відносно його центра мас, відмінний від нуля, то одержуємо явище, що має назву гіроскопічного ефекту. Він полягає в тому, що під дією пара сили F, прикладеної до вісі обертання гіроскопа, вісь гіроскопа (рис.2) обертається навколо прямої , а не навколо прямої , як це вважалося б природним на перший погляд (лежать в площині креслення, а і сили F перпендикулярний до неї).

Рис.2 Рис.3

Гіроскопічний ефект пояснюється таким чином. Момент М пари сил F напрямлений вздовж прямої . За час момент імпульсу L гіроскопа одержує приріст (напрям співпадає з напрямом ) і стане рівним . Напрям вектора L співпадає з новим напрямом вісі обертання гіроскопа повернуться навколо прямої . Якщо час дії сили малий, то хоч момент сил великий, зміна моменту імпульсу гіроскопа буде теж малим. Тому сила практично не призводить до зміни орієнтації вісі обертання гіроскопа в просторі. Для її зміни потрібно прикладати сили довгий час.

Якщо вісь гіроскопа закріплена підшипниками то в наслідок гіроскопічного ефекту виникають так звані гіроскопічні сили, що діють на опори, в яких обертається вісь гіроскопа. Їхню дію необхідно враховувати при конструюванні пристроїв, що містять в собі масивні складові частини, що швидко обертаються (наприклад, підшипники парових турбін на кораблях).

Гіроскопи застосовуються в різних гіроскопічних навігаційних приладах (гірокомпас, гірогоризонт і т.д.). Інше важливе застосування гіроскопів - підтримання заданого напряму руху транспортних засобів, наприклад судна і літака (автопілот) і ін. При будь-якому відхиленні від курсу внаслідок якихось впливів (хвиль, порив вітру і т.д.) положення вісі гіроскопа в просторі зберігається. Отже, вісь гіроскопа разом з рамами карданового підвісу обертається відносно пристрою, що рухається. Оберт рам карданового підвісу за допомогою певних пристроїв містить рулі керування, які повертають рух до заданого курсу. Подібним же чином гіроскопи можуть застосовуватись для автоматичного керування рухом снарядів, що само рухаються.

Вперше гіроскоп застосований французьким фізиком Фуко (1819 - 1868 рр) для доказу обертання Землі.