Перцептивное устройство для демонстрации гироскопического эффекта | Статья в журнале «Молодой ученый»

Отправьте статью сегодня! Журнал выйдет 5 февраля, печатный экземпляр отправим 9 февраля.

Опубликовать статью в журнале

Автор:

Рубрика: Технические науки

Опубликовано в Молодой учёный №38 (276) сентябрь 2019 г.

Дата публикации: 19.09.2019

Статья просмотрена: 81 раз

Библиографическое описание:

Ромкин, В. В. Перцептивное устройство для демонстрации гироскопического эффекта / В. В. Ромкин. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2019. — № 38 (276). — С. 72-78. — URL: https://moluch.ru/archive/276/62452/ (дата обращения: 23.01.2022).



Статья посвящена актуальной проблеме, направленной на исследование гироскопических явлений при помощи устройства с независимой подвеской колес, основанного на физическом воздействии гироскопического момента вращающихся колес на руки обучаемого и визуального наблюдения изменения угловой скорости прецессии.

Ключевые слова: перцептивное обучающее устройство, гироскопический эффект, прецессия.

Многие не задумываются, что может произойти при резком повороте автомобиля в движении − транспортное средство начинает опрокидываться в сторону. В связи с этим, данное перцептивное устройство поможет будущему инженеру и водителю понять суть гироскопического явления вращающихся частей механизмов.

Демонстрационная установка показывает, как ведут себя раскрученные колеса при повороте штатива по часовой стрелке и против часовой стрелки. В ходе проведенных экспериментов рассмотрены возможные варианты возникновения гироскопического эффекта и его влияние на поведение транспортного средства [1, с. 76].

Современный уровень развития техники и вооружения требует знаний в области теоретической механики, чтобы можно было делать однозначные выводы, касающиеся пригодности перцептивного (основанного на воздействии на органы чувств человека) обучающего устройства к использованию.

На представленной демонстрационной установке (рис. 1) используется правило Жуковского [2, с. 6]: «Если гироскопу сообщить вынужденное прецессионное движение, то на подшипники, в котором закреплена ось ротора, начнет действовать гироскопическая пара с моментом , стремящаяся наикратчайшим путем установить ось ротора параллельно оси прецессии так, чтобы направления векторов и совпадали» (рис. 3), что является гироскопическим эффектом.

Предлагаемое устройство [3, с. 1] отличается от перцептивного обучающего устройства [4, с. 3] тем, что используется независимая подвеска колес с шарнирным креплением оси каждого колеса отдельно.

I:\Установка 1\IMG_20190130_174049.jpg

Рис. 1. Устройство для демонстрации гироскопического эффекта

Основной задачей установки является повышение наглядности представления полученных знаний и практических навыков при перцептивном изучении сложных механических явлений в гироскопических системах.

Продольный разрез устройства с независимой подвеской колес изображен на рис. 2, где: 1 — штатив; 2 — шарнирные крепления; 3 — оси вращения; 4 — пара раскрученных рабочих тел; 5 — обод; 6 — спицы; 7 — ступицы; 8 — съемные стопорящие стержни; 9 — разгонные конические зубчатые шестеренки; 10 — динамометр; 11 — разгонный блок; 12 — подшипник.

J:\Итоговый вариант колес.png

Рис. 2. Схема устройства с независимой подвеской колес для исследования гироскопических явлений

Правило Жуковского необходимо определить по правилу «буравчика»:

1) направление кинетического момента каждого колеса;

2) угловую скорость прецессии штатива 1;

3) угловую скорость оси вращения колеса.

Правило «буравчика» (рис. 3) заключается в том, что сначала определяем, куда мы раскручиваем колесо со штативом, и с какой стороны мы будем смотреть на объект. Если раскрученное тело 4 вращается против хода часовой стрелки и при этом будем смотреть на него справой стороны, то движение будет направлено к нам, так как мы «выкручиваем» какое-либо тело, например, болт. Если смотреть на штатив сверху, то также аналогичным способом определяется направление вектора . Движение будет совпадать с направлением вектора , потому что по формуле (1) кинетический момент будет зависеть от угловой скорости оси вращения колеса:

(1)

где — момент инерции; – угловая скорость оси вращения.

Далее, после того как определили направление кинетического момента и угловую скорость прецессии, затем выявим теоретическим способом, куда двинется раскрученное колесо при повороте штатива в определенную сторону. Это очень просто: и по наикратчайшему пути стараются совместиться, потому что гироскопический момент должен быть равен нулю (это и есть правило Жуковского, которое рассмотрели ранее), и если между двумя векторами значение угла будет равно нулю, то . Тогда можно сделать вывод, что по формулам (2) и (3) :

(2)

(3)

где — кинетический момент; — угловая скорость; – угол между вектором угловой скорости и кинетическим моментом.

J:\Для сборника (56 НТК)\ГЭ.png

Рис. 3. Демонстрация гироскопического эффекта при раскручивании колеса

В данном случае, в соответствии с рис. 3, колесо поднимется вверх, так как необходимо, чтобы угол между двумя векторами был равен нулю, и поэтому векторы и будут стремиться совместиться с вектором .

Для познавательного обучения эффектам в гироскопических системах с перцептивным устройством проводятся следующие опыты:

Первый эксперимент. С помощью разгонного блока 11 (рис. 4, а) раскручиваются два рабочих тела 4 от себя (вперед). Обучаемый, удерживая периферийные рукоятки, начинает поворачивать штатив 1 по часовой стрелке. В этом случае левое колесо опускается вниз, а правое колесо поднимается вверх. Вследствие гироскопического эффекта обучаемый прочувствует своим костно-мышечным аппаратом плечевого пояса удвоенное значение всех сил. Угол между вектором и будет равен нулю при подъеме правого колеса вверх и опускании, соответственно, левого колеса вниз, что подтверждает правило Жуковского.

Второй эксперимент. С помощью разгонного блока 11 (рис. 4, б) также раскручиваем два рабочих тела 4 в ту же сторону. Обучаемый начинает поворачивать штатив 1 против часовой стрелки. В этом случае все действия происходят наоборот: левое колесо поднимается вверх, а правое колесо опускается вниз. Возрастает опрокидывающий момент, принудительная прецессия вызывает возникновение гироскопического момента, который стремится совместить ось собственного вращения с осью прецессии.

Третий эксперимент. С помощью разгонного блока 11 (рис. 4, в) раскручиваем левое колесо от себя (вперед), правое колесо — к себе (назад). Обучаемый начинает поворачивать штатив 1 по часовой стрелке. В этом случае левое и правое колесо вследствие этого начинают опускаться вниз, и опрокидывающий момент взаимно уничтожается.

Четвертый эксперимент.Спомощью разгонного блока 11 (рис. 4, г) раскручиваем левое колесо от себя (вперед), правое колесо — к себе (назад). Обучаемый начинает поворачивать штатив 1 против часовой стрелки. В этом случае левое и правое колесо начинают подниматься вверх, и сумма гороскопического момента (опрокидывающий момент) будет равна нулю.

Рис. 4. Демонстрация гироскопического эффекта: а — первый эксперимент, б — второй эксперимент, в — третий эксперимент, г — четвертый эксперимент

Теоретическая механика является естественной наукой, опирающейся на результаты опыта и наблюдений и использующей математический аппарат при анализе этих результатов. Как во всякой естественной науке, в основе механики лежит опыт, практика, наблюдение. Но наблюдая какое-нибудь явление, мы не можем сразу охватить его во всем многообразии. Поэтому перед исследователем возникает задача выделить в изучаемом явлении главное, определяющее, отвлекаясь (абстрагируясь) от того, что менее существенно, второстепенно [5, с. 8].

С помощью данных экспериментов можно наглядно понять физику гироскопических явлений и использовать перцептивное устройство для подготовки водителей транспортных средств и инженерно-технического состава при эксплуатации военной техники. Анализ гироскопических явлений, наблюдаемых при проведении экспериментов с помощью предлагаемого устройства и программы демонстрации, позволяет прогнозировать поведение автомобиля при резких поворотах, а также других транспортных средств при изменении траектории движения.

Благодаря этому методу обучения возможно повысить безопасность дорожного движения, сократить количество дорожно-транспортных происшествий, избежать смертности из-за аварий, что является необходимым условием поддержания высокой боевой готовности частей и подразделений РВСН.

Основной задачей применения установки является повышение наглядности представления полученных знаний и практических навыков при перцептивном изучении сложных механических явлений в гироскопических системах. Позволяет прогнозировать поведения автомобиля при резких поворотах и изменении покрытия дорожного полотна, а также повышает уровень подготовки водителей транспортных средств [6, с. 153].

При использовании в процессе обучения перцептивного обучающего устройства обучаемый получает определенные знания и практические навыки при изучении сложных механических процессов в гироскопических системах, механизмах трансмиссий, различных приводах машин. В процессе подготовки и обучения водителей транспортных средств изучается поведение автомобиля при резких поворотах или изменении профиля дороги. Помимо этого, накапливается объем мышечной памяти при непосредственном воздействии на костно-мышечный аппарат обучаемого, способствующий пониманию процессов в системах с вращающимися телами [7, с. 69].

В итоге повышается безопасность движения гражданского персонала, при совершении марша ракетных частей и подразделений и эксплуатации военной техники.

Литература:

1. Ромкин В. В., Зайцев В. А. Устройство для демонстрации гироскопического эффекта // Сборник научных статей по материалам VI Международной научно-практической конференции «Академические Жуковские чтения». — Воронеж: ВУНЦ ВВС «ВВА», 2019. — С. 76–81.

2. Белов, Г. П. Теоретическая механика. Практикум к лабораторным работам / Г. П. Белов, И. Д. Артемов, О. М. Омаров. / Под ред. Г. П. Белова. — Серпухов, 2018. — 66 с.

3. Устройство для демонстрации гироскопического эффекта: пат. 175053 Российская Федерация: МПК G09B 23/06 / В. В. Ромкин, В. А. Зайцев, М. А. Гребенников, А. Ю. Нелин; заявитель и патентообладатель ФГКВОУ ВО «Военная академия Ракетных войск стратегического назначения имени Петра Великого» МО РФ. — № 2017105310; заявл. 17.02.17; опубл. 16.11.17, Бюл. № 32. — 6 с.

4. Зайцев, В. А. Исследование гироскопического явления с использованием перцептивного обучающего устройства / В. А. Зайцев, М. А. Гребенников, А. Ю. Нелин [и др.] — Серпухов: филиал ВА РВСН им. Петра Великого, 2016. — 20 с. — Деп. в ФГБУ «46 ЦНИИ» МО РФ ЦВНИ (ЦСИФ МО РФ) 27.12.2016, № 19157.

5. Бутенин Н. В., Лунц Я. Л., Меркин Д. Р. Курс теоретической механики. — 3-е изд. — М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1979. — 272 с.

6. Ромкин В. В., Зайцев В. А., Павлюченко А. В. Показ гироскопического эффекта с помощью перцептивного устройства // Материалы IV Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы современного инженерного образования». — Омск: ОАБИИ, 2018. — С. 153–159.

7. Ромкин В. В., Зайцев В. А. Исследование гироскопического эффекта с использованием перцептивного обучающего устройства // Сборник научных статей «VIII Международная научно-практическая конференция молодых ученых, посвященная 57-й годовщине полета Ю. А. Гагарина в космос». — Краснодар: Издательский Дом — Юг, 2018. — С. 69–73.

8. Ромкин, В. В. Устройство с независимой подвеской колес для исследования гироскопических явлений / В. В. Ромкин, М. А. Гребенников, В. А. Зайцев. — Серпухов: филиал ВА РВСН им. Петра Великого, 2018. — 27 с. — Деп. в ФГБУ «46 ЦНИИ» МО РФ ЦВНИ (ЦСИФ МО РФ) 18.06.2018, № 19550.

9. Ромкин В. В., Зайцев В. А. Устройство с рабочими телами для исследования гироскопического эффекта // Сборник научных статей XII Международная научно-практическая конференция учащихся и студентов «Молодежь и инноватика». — Серпухов: Комитет по образованию Администрации г. о. Серпухов, 2019. — С. 440–444.

10. Ромкин В. В., Зайцев В. А. Демонстрационная установка для исследования гироскопических явлений // Сборник научных статей XXХVII Всероссийская НТК ФВА РВСН «Проблемы эффективности и безопасности функционирования сложных технических и информационных систем». — Серпухов: ФВА РВСН имени Петра Великого, 2018. — С. 24–29.

Основные термины (генерируются автоматически): гироскопический эффект, правое колесо, часова стрелка, кинетический момент, левое колесо, разгонный блок, независимая подвеска колес, обучающее устройство, правило Жуковского, гироскопический момент.


Ключевые слова

перцептивное обучающее устройство, гироскопический эффект, прецессия

Похожие статьи

Дополнительные погрешности гироскопического интегратора...

Для достижения ракетой-носителем (РН) заданной точки пространства, как известно, необходимо, чтобы в конце активного участка полета, то есть в момент отключения двигательных установок...

Анализ нагрузок, действующих на элементы конструкции ГТД

(рабочее колесо, хвостовик лопатки, диск, вал). Обычно, рабочее колесо (РК) компрессора состоит из рабочей лопатки (РЛ), хвостовика и диска. При работе авиационного ГТД на РЛ действуют инерционные и аэродинамические силы, вызывающие напряжения изгиба и кручения.

Автокомпенсационные методы уменьшения влияния акустического...

В исходный момент времени векторы кинетических моментов и гироскопов параллельны вектору угловой скорости вращения

Формирование выходного сигнала двухстепенных гироскопов устройства для гироскопической стабилизации изделий в виде разности...

О устройстве прецизионной стабилизации шара в страйкбольной...

Предложенное устройство прецизионной стабилизации шара в камере hop-up позволяет максимально точно отцентровать метаемый пластиковый шар в камере с одной стороны, а с другой — довести соотношение кинетических энергий поступательного и вращательного...

Использование дифференциальных уравнений в методе...

Суть метода состоит в том, что в каждый момент времени вектор скорости ракеты направлен точно на мишень. Математическая модель метода наведения по кривой погони описывается обыкновенными дифференциальными уравнениями первого и второго порядка.

Анализ повреждений рулевого управления современного легкового...

– повреждение управляемого колеса и связанных с органами управления элементов подвески автомобиля

Повреждение управляемого колеса может возникнуть при перекрестном или косом

Глубокие повреждения диска возникают, как правило, при ДТП с большим ущербом.

Методика изучения вращательного движения твердого тела...

Момент импульса твердого тела это вектор, направленный по оси вращения так, чтобы видеть с его конца вращение, происходящее по часовой стрелке. Для колеса вращающегося вокруг оси симметрии направление вектора совпадает с направлением вектора угловой скорости.

Определение энергетических и аэродинамических характеристик...

В частности, возможно прогнозирование аэродинамических моментов для нескольких геометрических конфигураций. Влияние центрального вала изучаются на основании геометрических параметров внешнего шасси. Влияние числа Рейнольдса исследованы.

Психологические факторы повышения результативности...

Показано, что для повышения результативности в стендовой стрельбе в тренировочный процесс спортсмена необходимо включать визуализацию или зрительно-мысленную репетицию выстрела. Описаны принципы и техника визуализации, а также критерии эффективности...

Похожие статьи

Дополнительные погрешности гироскопического интегратора...

Для достижения ракетой-носителем (РН) заданной точки пространства, как известно, необходимо, чтобы в конце активного участка полета, то есть в момент отключения двигательных установок...

Анализ нагрузок, действующих на элементы конструкции ГТД

(рабочее колесо, хвостовик лопатки, диск, вал). Обычно, рабочее колесо (РК) компрессора состоит из рабочей лопатки (РЛ), хвостовика и диска. При работе авиационного ГТД на РЛ действуют инерционные и аэродинамические силы, вызывающие напряжения изгиба и кручения.

Автокомпенсационные методы уменьшения влияния акустического...

В исходный момент времени векторы кинетических моментов и гироскопов параллельны вектору угловой скорости вращения

Формирование выходного сигнала двухстепенных гироскопов устройства для гироскопической стабилизации изделий в виде разности...

О устройстве прецизионной стабилизации шара в страйкбольной...

Предложенное устройство прецизионной стабилизации шара в камере hop-up позволяет максимально точно отцентровать метаемый пластиковый шар в камере с одной стороны, а с другой — довести соотношение кинетических энергий поступательного и вращательного...

Использование дифференциальных уравнений в методе...

Суть метода состоит в том, что в каждый момент времени вектор скорости ракеты направлен точно на мишень. Математическая модель метода наведения по кривой погони описывается обыкновенными дифференциальными уравнениями первого и второго порядка.

Анализ повреждений рулевого управления современного легкового...

– повреждение управляемого колеса и связанных с органами управления элементов подвески автомобиля

Повреждение управляемого колеса может возникнуть при перекрестном или косом

Глубокие повреждения диска возникают, как правило, при ДТП с большим ущербом.

Методика изучения вращательного движения твердого тела...

Момент импульса твердого тела это вектор, направленный по оси вращения так, чтобы видеть с его конца вращение, происходящее по часовой стрелке. Для колеса вращающегося вокруг оси симметрии направление вектора совпадает с направлением вектора угловой скорости.

Определение энергетических и аэродинамических характеристик...

В частности, возможно прогнозирование аэродинамических моментов для нескольких геометрических конфигураций. Влияние центрального вала изучаются на основании геометрических параметров внешнего шасси. Влияние числа Рейнольдса исследованы.

Психологические факторы повышения результативности...

Показано, что для повышения результативности в стендовой стрельбе в тренировочный процесс спортсмена необходимо включать визуализацию или зрительно-мысленную репетицию выстрела. Описаны принципы и техника визуализации, а также критерии эффективности...

Задать вопрос