三自由度陀螺仪教学演示教具

刚 体 陀 螺 仪  

一、产品介绍

陀螺仪（gyroscope）的原理就是，一个旋转物体的旋转轴所指的方向在不受外力影响时，是不会改变的。人们根据这个道理，用它来保持方向，制造出来的东西就叫陀螺仪。我们骑自行车其实也是利用了这个原理。轮子转得越快越不容易倒，因为车轴有一股保持水平的力量。陀螺仪在工作时要给它一个力，使它快速旋转起来，一般能达到每分钟几十万转，可以工作很长时间。然后用多种方法读取轴所指示的方向，并自动将数据信号传给控制系统。 

　　在现实生活中，陀螺仪发生的进动是在重力力矩的作用下发生的。 

 

二、产品结构

　　从力学的观点近似的分析陀螺的运动时，可以把它看成是一个刚体，刚体上有一个万向支点，而陀螺可以绕着这个支点作三个自由度的转动，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。将陀螺安装在框架装置上，使陀螺的自转轴有角转动的自由度，这种装置的总体叫做陀螺仪，

陀螺仪的基本部件有：

　　(1) 陀螺转子(常采用同步电机、磁滞电机、三相交流电机等拖动方法来使陀螺转子绕自转轴高速旋转，并见其转速近似为常值)；

　　(2) 内、外框架(或称内、外环，它是使陀螺自转轴获得所需角转动自由度的结构)；

　　(3) 附件(是指力矩马达、信号传感器等)。 

历史

1850年法国的物理学家莱昂?傅科（J.Foucault）为了研究地球自转，首先发现高速转动中的转子（rotor），由于惯性作用它的旋转轴永远指向一固定方向，他用希腊字 gyro（旋转）和skopein（看）两字合为gyro scopei 一字来命名这种仪表。

三、产品特性

陀螺仪被用在飞机飞行仪表的心脏地位，是由于它的两个基本特性：一为定轴性（inertia or rigidity），另一是逆动性（precession），这两种特性都是建立在角动量守恒的原则下。

1、定轴性 

当陀螺转子以极高速度旋转时，就产生了惯性，这惯性使得陀螺转子的旋转轴保持在空间，指向一个固定的方向，同时反抗任何改变转子轴向的力量，这种物理现象称为陀螺仪的定轴性或惯性。 其惯性随以下的物理量而改变：

1）转子质量愈大，惯性愈大；

2）转子旋转半径愈大，惯性愈大；

3）转子旋转速度愈大，惯性愈大；

2、逆动性

在运转中的陀螺仪，如果外界施一作用或力矩在转子旋转轴上，则旋转轴并不沿施力方向运动，而是顺着转子旋转向前90度垂直施力方向运动，此现象即是逆动性。

逆动性的大小也有三个影响的因素：

1）外界作用力愈大，其逆动性也愈大； 

2）转子的质量惯性矩（moment of inertia）愈大，逆动性愈小； 

3）转子的角速度愈大，逆动性愈小； 

而逆动方向可根据逆动性原理取决于施力方向及转子旋转方向。

四、实验目的

直观地演示旋转刚体（陀螺）在外力作用下的进动和不受外力矩时角动量方向保持不变的特性。

实验原理

绕旋转对称轴以很大的角速度转动的刚体就是陀螺。如果没有外力矩的作用，陀螺转动轴的方向（角动量方向）将保持不变，称为定轴性。迅速转动的陀螺若受到外力矩（如重力力矩）的作用时，它并不是立即倾倒，而是使其转动轴绕着某一固定轴缓缓转动，即角动量在外力矩的作用下进动。

由于摩擦力、空气阻力等因素的存在，陀螺绕对称轴转动的角速度将逐渐变小，最后倾倒下来。

实验仪器

1. 电机驱动，演示陀螺的原理，两环三自由度，演示定向特性，附电机电源。

2. 仪器尺寸:200*200*200mm

3. 重量:2.6Kg

4. 电源220V/50Hz

5. 铝合金材质,高速电机安装在陀螺仪里面.

实验步骤

演示角动量守恒   

将刚体陀螺仪器平放在桌面上，仪器周转保留一定空间。

1、接通陀螺仪上电机电源接线。

2、接通电机电源，缓幔调节电源输出电压，可见陀螺开始平稳转动，无异常振动杂音。

3、调电压至最大值，约12V；待转速稳定后，即可观察陀螺转动特性。

4、当陀螺高速旋转起来时，将陀螺拿起，观察陀螺转轴的角度变化。

5、然后拿陀螺仪外框转动，可观察到陀螺转轴的角度始终不变。

注意事项

1、陀螺飞轮高速旋转时，不可用手触摸或试图阻止其转动。

2、仪器处于高速旋状态下，须有人照看。