陀螺仪是一种既古老又很有生命力的仪器。它问世已来到现在,仍吸引着人们去研究,它最基本特征是它的稳定性。“打煞坯”高速旋转可竖直不倒,与地面保持垂直(这反映了陀螺仪的稳定性),它以物体的惯性为基础用来研究旋转物体的动力学特征。
陀螺最早用于航海导航(配合指南针)。但随着科技发展,它在航空和航天国防事业中也得到广泛应用,它不仅可以作为指示仪表,而更重要的是它可作为自动控制系统中的一个敏感元件,即可作为信号传感器。根据需要陀螺仪不仅能提供准确方位水平、位置速度和加速度等信号,以使驾驶员或自动导航仪用来控制飞机、舰船、火箭、导弹按一定的航线运行。作为稳定器,它能使列车在单轨上行驶。日本发明骑自行车的机器人.它上面也用陀螺仪来控制平衡。它还能稳定船舶在大风浪中的摇摆,能使安装在飞机或卫星上的照相机和天线相对地面稳定。作为精密测量仪器,陀螺仪能够为地面设施、矿工隧道、地下铁路、石油钻探、汽车导航提供准确方位(配合GPS)。由此可见,它在现代化国防建设、国民经济建设中均占重要地位。
从力学的观点,近似的分析陀螺运动时,可以把它看成刚体。刚体上有个方向支点,而陀螺可以绕着这个支点作三个自由度转动。所以陀螺的运动是属于刚体绕一个定点的转动运动,更确切地说,一个绕对称轴高速旋转的飞轮转子叫陀螺。用直流微电机定子代替转子,将陀螺微电机安装在框架上,框架用经纬摇摆机代替,使陀螺的自转轴有角转动的自由度。原理是一个旋转物体的旋转轴所指方向在不受外力影响时,是不会改变的(见下图)。
一。陀螺仪的基本部件
1.陀螺转子:用永磁直流微电机定子通电绕轴高速旋转代替。
2.内外框架或内外环:它是使陀螺自转轴获得所需转动自由度的结构,可买个经纬摇摆仪或铁片轴承自制。
3.附件:是指力矩马达、信号传感器。本制作直观演示,所以省略。
二、制作方法
买一个或拆一个小玩具上的直流永磁电机,在电机一端短轴上套上一个大小合适的绝缘圆柱体(竹、木)上面贴上一层铜皮(可用502或504胶水粘合)并找一段钢丝插入圆柱体上的小孔,作轴加长(见下图)。
再在电机端盖的电极上焊上(用弹性好的)铜片,作为电刷(使其和导电环接触良好)。另一电极则直接焊在电机金属外壳上,作为供电端(须注意的是:因为定子作转子,所以电机定子的动平衡须调配好,否则通电后定子会剧烈抖动,破坏定位)。
本装置电通路是:电源正极一导电环一电刷一电机供电极一电机内碳刷一换向器一线圈一换向器一碳刷一电机供电端一电机外壳一底座一电源负极。
从礼品商店买一个装饰用的经纬摇摆机,拆下地球,换上微电机定子做的陀螺仪(框架也可用铁片,轴承自己制作),使其能灵活摆动。
电机电源可采用可调稳压源,从开始慢慢调高(即软启动)。调高后,定子高速转动。不管手拿的底座怎样摆动,飞轮方向保持不变。看看很神奇吧!
本装置可为大、中、小学生学习了解陀螺原理作教具。有兴趣的演示可打开学生想象的翅膀,在玩中学到知识!
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