Fizika referat; mavzu; Giroskoplar

FIZIKA REFERAT;
MAVZU; Giroskoplar.
REJA;
1. Giroskoplar haqida tushuncha
2. Ta'rif va diagramma
3.Tarix
4.Xususiyatlari
5.Gyrostat
6.Optik tolali giroskop
7.Uzuk lazerli giroskop
Giroskoplar haqida tushuncha
Giroskop (giro... va ...skop) — aylanish oʻqi fazoda oʻz yoʻnalishini oʻzgartira oladigan tez aylanuvchi qattiq jism. Aylanish oʻqi fazoda erkin aylana olishi uchun G.ni kardanli osmaga mahkamlab qoʻyish kerak (q. Kardanli mexanizm). Osma markaziga nisbatan G. istalgan yoʻnalishda burilishi, uning aylanish oʻqi doiraviy konussimon sirt yasab harakatlanishi (q. Presessiya) mumkin. Keyingi xususiyati navigatsiya asboblari — girokompas, girovertikal va b.ga asbob qilib olingan. G.ning har qanday holda ham fazoda oʻz oʻqi yoʻnalishini oʻzgarishsiz saqlay olishi xossasidan samolyot, raketa, dengiz kemalari, torpedolar va b. harakatini avtomatik tarzda saqlash uchun foydalaniladi (mas, avtopilot). Kemalarda matroslarning osma toʻrkrovatlari G. xossasiga asoslangan (kema qanchalik chayqalmasin matroslar bemalol uxlab ketishaveradi). Samolyotning kursdan ogʻganligini aniqlaydigan asbob yoʻnalish G.i, yaʼni giropolukompas deb ataladi. U avtopilotlarda qoʻllaniladi.[1]
Giroskop (qad. yun. γῦρος — „xalqa“, qad. yun. σκοπός — „kuzataman“), deb impuls momenti prinsiplariga asosan moʻljal olish uchun xizmat qiluvchi qurilmaga aytiladi.[2] Mexanik jihatdan, giroskop oʻqi erkin harakatlanuvchi aylanuvchi gʻildirak yoki diskdan iborat. Ushbu moʻljal oʻzgarmas boʻlmasa-da, u katta aylanish tezligi va inersiya momenti tufayli tashqi kuch momenti taʼsiridan deyarli oʻzgarmaydi. Tashqi kuch momentini yanada kamaytirish uchun giroskop muvozanat xalqasiga oʻrnatiladi, natijada unga oʻzi joylashgan platforma harakati taʼsir qilmaydi.
Boshqacha prinsiplarga asoslangan giroskoplar ham mavjud, masalan, elektron giroskop, lazerli giroskop, optik tolali giroskop, va oʻta sezgir kvant giroskopi.
Giroskoplar inersiyali navigatsiyada, ayniqsa kompas ishlamaydigan sohalarda qoʻllaniladi. Bularga qitʼalararo ballistik raketalar, fazoviy kemalar parvozlari, yerosti tunnel kavlash va boshqalar kiradi.
Ta‘rif va diagramma
A giroskop burchak momentumini saqlash tamoyiliga asoslangan, yo'nalishni o'lchash yoki ushlab turish moslamasi. Nisbatan og'ir aylanadigan rotorning asosiy komponenti deyarli har qanday ishqalanishsiz rulmanlar bilan ikkita konsentrik yengil halqalar (gimballar) ga o'rnatiladi, ularning har biri keyingi tashqi halqaning ichki qismiga o'xshash rulmanlar bilan o'rnatiladi yoki tashqi halqa uchun qo'llab -quvvatlovchi ramka.

Rotor va ikkita halqa shunday o'rnatilganki, ularning har biri uchun aylanish tekisligi qolgan ikkisining aylanish tekisligiga perpendikulyar bo'ladi. Aylanadigan rotor g'ildirakning burchak momenti tufayli o'z yo'nalishidagi o'zgarishlarga tabiiy ravishda qarshilik ko'rsatadi. Fizikada bu hodisa sifatida ham tanilgan giroskopik inertiya yoki kosmosda qattiqlik. Ichki gimballarning o'ziga xos qo'llab -quvvatlashi tufayli rotor deyarli o'z yo'nalishini ushlab tura oladi, hatto qo'llab -quvvatlovchi ramka o'z yo'nalishini o'zgartiradi.

Gyroskopning o'z o'qini ma'lum bir yo'nalishda ushlab turish qobiliyati yoki ba'zi ilovalarda o'qni oldinga siljitish qobiliyati, hatto uning qo'llab -quvvatlovchi tuzilishi har xil pozitsiyalarga ko'chirilgan bo'lsa ham, uni navigatsiya tizimlari va aniq asboblarni kengaytirishda ishlatishga imkon berdi.

An'anaviy giroskop ikkita konsentrik halqalarni yoki gimballarni, shuningdek ichki gimbalning ichki qismidagi rulmanlarga o'rnatilgan markaziy rotorni o'z ichiga oladi, bu esa o'z navbatida tashqi gimbalga o'rnatilgan rulmanlarga o'rnatiladi, ular ham qo'llab -quvvatlovchi ramkaga o'rnatiladi. Rotor, ichki gimbal va tashqi gimbal har birining qo'llab -quvvatlash darajasiga qarab o'z tekisligida erkin harakatlanishi mumkin. Ichki gimbal tashqi gimbalga shunday o'rnatiladiki, ichki gimbal har doim tashqi gimbalning asosiy o'qiga perpendikulyar bo'lgan o'z tekisligidagi o'q atrofida aylanadi. Xuddi shunday, rotor o'qining podshipniklari ichki gimbalga o'rnatilgan bo'lib, rotorning aylanish o'qi har doim ichki gimbal o'qiga perpendikulyar bo'ladi.

Rotor g'ildiragi kirish o'qi (ichki gimbal bilan bog'langan) atrofida, tashqi o'q bilan (tashqi gimbal bilan bog'langan) o'zaro ta'sir kuchiga javob beradi. 3 o'qi perpendikulyar va bu o'zaro o'qli javob giroskopik ta'sirning oddiy mohiyatidir.

A gyroskop volan chiqish gimballari erkin yoki sobit konfiguratsiyaga bog'liq bo'lib, chiqish o'qi atrofida aylanadi yoki qarshilik ko'rsatadi. Ba'zi erkin chiqadigan gimbal qurilmalarga misol sifatida, kosmik kemada yoki samolyotda yugurish, burilish va yelish burchagini sezish yoki o'lchash uchun ishlatiladigan mos yozuvlar gyroskoplari bo'lishi mumkin.

Rotorning tortishish markazi sobit holatda bo'lishi mumkin. Rotor bir vaqtning o'zida bitta o'qni aylantiradi va boshqa ikkita o'qni tebranishga qodir, shuning uchun rotorning aylanishidan kelib chiqadigan o'ziga xos qarshiligi bundan mustasno, u har qanday yo'nalishda aylanadigan nuqta atrofida erkin aylana oladi. Ba'zi giroskoplar bir yoki bir nechta elementlarning o'rnini bosadigan mexanik ekvivalentlarga ega. Masalan, aylanuvchi rotor gimballarga mahkam o'rnashib qolmasdan, suyuqlikda to'xtatilishi mumkin. Boshqaruv momenti gyroskopi (CMG)-kosmik kemalarda gyroskopik qarshilik kuchi yordamida kerakli burchak burchagi yoki ishora yo'nalishini ushlab turish yoki ushlab turish uchun ishlatiladigan, sobit chiqish-gimbal qurilmaga misol.

Ba'zi maxsus holatlarda, tashqi gimbal (yoki uning ekvivalenti) qoldirilishi mumkin, shunda rotor faqat ikki darajali erkinlikka ega bo'ladi. Boshqa hollarda, rotorning tortishish markazi tebranish o'qidan siljishi mumkin, shuning uchun rotorning tortishish markazi va rotorning osma markazi bir -biriga to'g'ri kelmasligi mumkin.

Giroskop - bu burchak momentumini saqlash printsipini o'rganadigan, aylanadigan disk yoki g'ildirak mexanizmiga ega bo'lgan qurilma.: tashqi momentga ta'sir qilmasa, tizimning aylanish tendentsiyasi doimiy bo'lib qoladi.

Siz giroskoplar ular aylanish harakatini barqarorlashtirish, boshqarish yoki o'lchash uchun ko'plab eski va yangi ixtirolarda qo'llaniladi. Masalan, velosipeddagi g'ildiraklar, xuddi gyroskoplar kabi harakat qiladilar, chunki ular tezlikni aylantirib, tik turishni osonlashtiradi va itarishni qiyinlashtiradi. Boshqariladigan raketalar o'z yo'nalishlarini kuzatib borish va boshqarish uchun gyroskoplardan foydalanadi.

Jihozning yo'nalishini gyroskop bilan o'zgartirish gyroskopni aylantirish, uning chiqish kuchi o'qini o'zgartirish orqali amalga oshiriladi. Ko'p o'qli giroskoplarning datchiklar orqali aylanishi ko'plab moslamalarni aniq o'lchash va yo'naltirishga imkon beradi.

Siz giroskoplar ba'zi xavfsizlik masalalarini ham taqdim eting. Shuningdek, gyroskopning imkoniyatlaridan foydalanuvchi yoki ushbu qurilmaga kirish huquqiga ega bo'lgan yoki foydalanuvchi xohlagan boshqa shaxslar xohlagan holda, joylashuvni kuzatish uchun foydalanish mumkin. O'zgartirilgan nutqni aniqlash dasturi bilan bir qatorda, qurilmalar mikrofon mavjud bo'lmaganda tinglashni faollashtirishi mumkin. Ular, shuningdek, telefon harakatiga qaramay klaviatura tebranish hujumlarining aniqligini saqlab qolish uchun ishlatilishi mumkin.

Mexanik giroskop maxsus tayanchga o'rnatilgan g'ildirakdan iborat. Dingil deb nomlangan novda bilan qo'llab-quvvatlanadigan g'ildirak faollashtirilganda, u osma halqaga bog'langan o'q atrofida aylana boshlaydi. Ushbu uzuk, o'z navbatida, taglikka o'rnatiladigan boshqa halqaga biriktirilgan. Uzuklar har qanday yo'nalishda harakatlanishi mumkin, bu esa tayanch harakatlansa ham, o'qning har doim bir xil holatda turishiga imkon beradi.

TARIXI

Gyroskop effekti 1817 yilda Yoxann Bohnenberger tomonidan kashf etilgan; Gyroskop ixtiro qilindi va unga effekt 1852 yilda Leon Fuko tomonidan Yerning aylanishini o'z ichiga olgan tajriba uchun yaratilgan. Ko'rish uchun Fukoning tajribasi (skopeein, ko'rish uchun) Yerning aylanishi (gyros, aylana yoki aylanish) ishqalanish tufayli muvaffaqiyatsiz tugadi, bu har bir sinovni 8 dan 10 minutgacha, harakatni kuzatish uchun juda qisqa vaqt bilan cheklab qo'ydi. Biroq, 1860 -yillarda elektr motorlar kontseptsiyani amalga oshirishga imkon berdi, bu birinchi protokop gyrokompaslarga olib keldi; Birinchi funktsional dengiz girokompasi 1905 yildan 1908 yilgacha nemis ixtirochisi Hermann Anschutz-Kaempfe tomonidan ishlab chiqilgan. 1910 yilda amerikalik Elmer Sperri o'z dizaynini ishlab chiqdi va boshqa xalqlar tez orada ixtironing harbiy ahamiyatini anglab etdilar - bu davrda harbiy kuchning eng muhim o'lchovi bo'lgan dengiz kuchlari - o'z giroskop sanoatini yaratdilar. Sperry Gyroscope kompaniyasi tezda samolyotlar va dengiz stabilizatorlarini etkazib berish uchun kengaytirildi va boshqa giroskop ishlab chiqaruvchilari ham unga ergashdilar.

Yigirmanchi asrning dastlabki bir necha o'n yilliklarida boshqa ixtirochilar giroskoplardan qora qutilarda navigatsiya tizimlarining asosi sifatida foydalanishga urinishdi (muvaffaqiyatsiz), ular yordamida tezlikni aniq o'lchash mumkin bo'lgan barqaror platformani yaratish (yulduzga bo'lgan ehtiyojni chetlab o'tish uchun). pozitsiyani hisoblash uchun ko'rishlar). Shunga o'xshash printsiplar keyinchalik ballistik raketalarga inertial yo'naltiruvchi tizimlarni ishlab chiqishda ishlatilgan.

Xususiyatlari
Gyroskop bir qator xulq -atvor turlarini namoyish etadi, shu jumladan prektsiya va nutatsiya. Gyroskoplar magnit kompaslarni to'ldiradigan yoki almashtiradigan (umuman kemalarda, samolyotlarda, kosmik kemalarda va transport vositalarida), barqarorlikka yordam berish uchun (velosiped, Xabbl kosmik teleskopi, umuman kemalar, transport vositalari) yoki ularning bir qismi sifatida ishlatiladigan girokompaslarni qurish uchun ishlatilishi mumkin. Inertial yo'naltirish tizimi. Gyroskopik effektlar yo-yos va Powerballs kabi o'yinchoqlarda ishlatiladi. Volan kabi boshqa ko'plab aylanadigan qurilmalar giroskopik ta'sir ko'rsatadi, garchi giroskopik ta'sir ishlatilmasa ham.

Gyroskopning xatti -harakatini tavsiflovchi asosiy tenglama:

bu erda vektorlar va, mos ravishda, giroskopning momenti va uning burchak momentumi, skalyar - uning harakatsizlik momenti, vektor - uning burchak tezligi, vektor - bu burchak tezlanishi.

Bundan kelib chiqadiki, aylanish o'qiga perpendikulyar va shuning uchun perpendikulyar bo'lgan moment ham va ham perpendikulyar harakatga olib keladi. Bu harakat "pretsessiya" deb nomlanadi. Keskinlikning burchak tezligi o'zaro faoliyat mahsulot bilan belgilanadi:

Noziklikni o'qi gorizontal va aylanuvchi gyroskopni bir chetiga bo'shashmasdan (prektsiyaga nisbatan ishqalanishsiz) qo'yish orqali ko'rsatish mumkin. Kutish mumkin bo'lganidek, yiqilishning o'rniga, gyroskop o'qi gorizontal holatda qolishi bilan tortishish kuchiga qarshi turadi, o'qning ikkinchi uchi qo'llab -quvvatlanmasa va o'qning bo'sh uchi gorizontal tekislikdagi aylanani asta -sekin tasvirlab bersa, prekursion burilish. Bu ta'sir yuqoridagi tenglamalar bilan izohlanadi. Gyroskopdagi moment bir nechta kuch bilan ta'minlanadi: tortishish kuchi qurilmaning massa markazida pastga va qurilmaning bir uchini ushlab turish uchun yuqoriga qarab harakat qiladigan teng kuch. Bu momentdan kelib chiqadigan harakat, intuitiv ravishda kutilganidek, pastga tushmaydi, bu qurilmaning qulashiga olib keladi, lekin tortishish momentiga (pastga) va aylanish o'qiga (qo'llab -quvvatlash nuqtasidan tashqariga) perpendikulyar. oldinga gorizontal yo'nalish, bu qurilmani qo'llab -quvvatlash nuqtasi atrofida sekin aylanishiga olib keladi.

Ikkinchi tenglamadan ko'rinib turibdiki, tortishish kuchi tufayli bo'lmaydigan doimiy momentda, giroskopning oldingi tezligi uning burchak momentumiga teskari proportsionaldir. Bu shuni anglatadiki, masalan, agar ishqalanish giroskopning aylanishini sekinlashtirsa, pretsessiya tezligi oshadi. Bu qurilma o'z vaznini ushlab tura oladigan darajada tez aylana olmaguncha davom etadi, chunki u oldingi yuklamani to'xtatadi va tayanchdan tushadi, asosan, chunki prektsiyaga qarshi ishqalanish yiqilishga olib keladigan boshqa pretsessiyani keltirib chiqaradi.

An'anaga ko'ra, bu uchta vektor, moment, aylanish va pretsessiya, bir-biriga nisbatan o'ng qo'l qoidasiga muvofiq yo'naltirilgan.

Gyro effektining yo'nalishini osongina aniqlash uchun, esda tutingki, aylanadigan g'ildirak burchakka kirganda ichkariga buriladi

Gyrostat
A gyrostat bu giroskopning bir variantidir.Birinchi gyrostat Lord Kelvin tomonidan gorizontal tekislikda, yo'lda yulka tepasida yoki halqa yoki velosipedda aylanib yurish mumkin bo'lganda, aylanadigan jismning harakatining murakkabroq holatini tasvirlash uchun ishlab chiqilgan. U asosan qattiq korpusga yashiringan ulkan volandan iborat. Uning stolda yoki to'xtatib turish yoki qo'llab -quvvatlashning har xil turidagi xatti -harakatlari, ko'rinmas volanning tez aylanishi paytida gyrostatik harakati tufayli, statik muvozanatning oddiy qonunlarining g'ayrioddiy o'zgarishini ko'rsatishga xizmat qiladi.

Kichik, qo'lda o'ralgan girostatlar bolalar o'yinchoqlari sifatida sotiladi.

Optik tolali giroskop
A optik tolali giroskop (FOG) - bu mexanik aylanishni aniqlash uchun yorug'lik interferentsiyasidan foydalanadigan qurilma. Sensor 5 kilometr (km) ga yaqin optik tolali lasan. Ikkita yorug'lik nurlari tolalar bo'ylab qarama -qarshi yo'nalishda harakatlanadi. Sagnac effekti tufayli aylanishga qarshi harakat qilayotgan nur boshqa nurga qaraganda bir oz qisqaroq yo'lni boshdan kechiradi. Olingan fazaviy siljish, nurlar birlashtirilganda bir -biriga qanday ta'sir qilishiga ta'sir qiladi. Birlashtirilgan nurning intensivligi qurilmaning aylanish tezligiga bog'liq.

Tuman, aylanish tezligi to'g'risida juda aniq ma'lumot beradi, qisman o'qlararo tebranish, tezlanish va zarbalarga sezgirlik yo'qligi sababli. Klassik yigiruv-massali giroskopdan farqli o'laroq, FOG deyarli harakatlanuvchi qismlarga ega emas va harakatga inertial qarshilik ko'rsatmaydi. FOG odatda halqali lazer giroskopiga qaraganda yuqori piksellar sonini ko'rsatadi, shu bilan birga drift va shkala faktorlarining ishlashini ham yomonlashtiradi. Bu geodeziya, stabilizatsiya va inertial navigatsiya vazifalarida qo'llaniladi.

Tumanlar ochiq va yopiq konfiguratsiyalarda yaratilgan.

Uzuk lazerli giroskop

A halqa lazer giroskopi yo'nalish va aylanishdagi o'zgarishlarni aniqlash uchun katta optik halqa ichidagi lazer nurining aralashuvidan foydalanadi. Bu Sagnac interferometrining qo'llanilishi.

Uzukli lazerli gyros (RLG) inertial mos yozuvlar tizimida barqaror elementlar (har birining erkinlik darajasi uchun) sifatida ishlatilishi mumkin. RLGni ishlatishning afzalligi shundaki, harakatlanuvchi qismlar yo'q. Oddiy yigiruv gyro bilan taqqoslaganda, bu hech qanday ishqalanish yo'qligini anglatadi, bu esa o'z navbatida o'ziga xos drift terminlari bo'lmaydi. Bundan tashqari, butun birlik ixcham, engil va deyarli buzilmaydi, ya'ni uni samolyotlarda ishlatish mumkin. Mexanik giroskopdan farqli o'laroq, qurilma yo'nalishidagi o'zgarishlarga qarshilik qilmaydi.

Jismoniy jihatdan, RLG kvadrat yoki uchburchak shaklida tuzilgan va ko'zgular bilan bog'langan uzatish yo'llari segmentlaridan iborat. Ko'zgulardan biri detektorlarga yorug'lik o'tishi uchun qisman kumush rangga ega bo'ladi. Ikkala yo'nalishda ham uzatish yo'liga lazer nurlari yuboriladi, bu yo'lning uzunligi bilan to'lqinli rezonans hosil qiladi. Qurilma aylanayotganda, bir novdadagi yorug'lik boshqa tarmoqdan farqli masofani bosib o'tadi, uning fazasi va rezonans chastotasi boshqa tomonga o'tadigan nurga nisbatan o'zgaradi, natijada detektorda interferentsiya modeli uriladi. Burchak pozitsiyasi interferentsiya chekkalarini hisoblash orqali o'lchanadi.

RLGlar, mexanik jiroslarga qaraganda aniqroq bo'lsa-da, juda sekin aylanish tezligida "qulflash" deb nomlanuvchi ta'sirga ega. Ringli lazer juda sekin aylanayotganda, teskari aylanadigan lazerlarning chastotalari juda yaqin bo'ladi (lazer o'tkazish qobiliyati ichida). Bu past aylanishda, to'lqin to'lqinlaridagi nollar ko'zgularga "yopishib qolishga" moyil bo'lib, har bir nurning chastotasini bir xil qiymatga qulflaydi va interferentsiya chekkalari endi detektorga nisbatan harakat qilmaydi; bu stsenariyda, qurilma vaqt o'tishi bilan burchak holatini aniq kuzatib turmaydi.

Dithering qulflanish o'rnini bosishi mumkin. Butun apparat o'z mexanik rezonansiga mos keladigan tezlikda o'z o'qi atrofida buriladi va buriladi, shu bilan tizimning burchak tezligi odatda qulf ostonasidan uzoqda bo'ladi. Odatda chastotalar 400 Gts, tepalik tezligi sekundiga 1 yoy-sekund.

Asosiy dasturlarga tijorat samolyotlari, kemalari va kosmik kemalarida navigatsiya tizimlari kiradi, bu erda RLGlar ko'pincha inertial ma'lumot tizimlari deb ataladi. Bu ilovalarda u mexanik hamkasbi - Inertial ko'rsatma tizimini almashtirdi.