ОСНОВЫ ОБЩЕЙ ФИЗИКИ
ПРЕЦЕССИЯ ГИРОСКОПА
Гироскопом
называют быстро вращающееся тело, ось
вращения которого может изменять свое
направление в пространстве. Под
действием внешних сил гироскоп может
совершать движения, которые кажутся на
первый взгляд неожиданными и
противоречащими интуиции. На анимации
изображён гироскоп в карданном подвесе,
допускающем поворот оси массивного
ротора вокруг трёх взаимно
перпендикулярных осей, пересекающихся
в его центре масс. На ось гироскопа
подвешен маленький шарик. Если бы
маховик гироскопа не вращался, то
наблюдалось бы привычное явление:
шарик опускался бы под действием
собственного веса. Иначе происходит,
когда маховик гироскопа приведен в
быстрое вращение, как показано на
анимации. В этом случае шарик
опускаться не будет, а будет двигаться
вместе с гироскопом по окружности в
горизонтальной плоскости. Такое
вращение называется вынужденной
прецессией.
Движение гироскопа является следствием фундаментального уравнения механики (ниже все векторные величины обозначены жирным шрифтом, а скалярные величины - обычным шрифтом):
dL/dt = M
где L - вектор момента количества движения (или, иначе говоря, вектор момента импульса), t - время, М - вектор момента сил. В приближённой теории гироскопа пренебрегают моментом импульса, связанным с медленной прецессией гироскопа и считают, что момент импульса полностью определяется вращением маховика:
L = Iw
где I - момент инерции маховика гироскопа, w - вектор угловой частоты вращения маховика гироскопа. С другой стороны, момент сил М, действующих на гироскоп, равен
М = [a, F]
т.е. представляет собой векторное произведение радиус-вектора a, проведённого из центра гироскопа к точке приложения силы F=mg, где m - масса грузика, g - вектор ускорения свободного падения.
Момент количества движения L изменяется только вследствие прецессии гироскопа с угловой скоростью W. Поэтому
dL/dt = [W, L]
Окончательно получаем:
[W, Iw] = - [mg, a]
Так как вектор w сонаправлен вектору a , мы можем записать
W = - (am / Iw) g
Таким образом, мы можем видеть из этой формулы, что маховик гироскопа будет совершать медленное вращение (прецессию) в горизонтальной плоскости, причём угловая скорость прецессии тем больше, чем больше масса подвешенного грузика. Приведенные выше рассуждения справедливы при условии W<<w , т.е. для быстро вращающегося гироскопа. Для гироскопов, применяющихся в технике, величина угловой скорости прецессии бывает в миллионы раз меньше угловой скорости вращения маховика.
