XII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Просто о сложном. Что такое гироскоп.
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Совсем недавно, наблюдая за игрой своей маленькой сестрёнки у меня возник вопрос, а почему всем знакомая игрушка, как юла, с которой играли ещё мои прабабушки и прадедушки может так долго крутиться не падая. Как юла удерживает равновесие? Я решил разобраться с этим вопросом и начал своё исследование.
Целью исследования является определение значения и роли гироскопа в XXI веке.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
выяснить историю возникновения гироскопа;
выявить значение слова «гироскоп»;
определить и описать возможности использования гироскопа в наш век роботов в гаджеты;
дать анализ возможностей использования гироскопа в будущем.
Гипотеза исследования заключается в том, что в наше время гироскоп встречается повсеместно и будет незаменим в будущем!
Основными методами исследования являются наблюдение и эксперимент. Также в работе использованы сравнительный метод, благодаря которому я исследовал особенности использования гироскопа в различных устройствах.
А также изучение теоретических материалов. Проведение опытов.
Историческая справка
Своё исследование я решил начать со сбора информации об одной из самых любимых и популярных игрушек разных поколений – юлы или как ее раньше называли – волчок. Игрушка имеет богатую историю. Еще в каменном веке дети играли подобием волчка. Это была пластинка из роговой кости. В Австралии аборигены изготавливали волчки из дерева в форме рыбы. Древние славяне предпочитали делать конусообразные деревянные волчки, которые раскачивались с помощью длинной веревочки. За время существования было придумано более ста вариаций юлы. В разных странах юла называется по-разному: в Испании – пеон, в Южной Америке – пеонца, в Мексике – тромпо. В древней Японии волчки были неотъемлемым атрибутом актеров и фокусников, которые показывали с их помощью завораживающие иллюзионные шоу. Юлой играли все народы мира, и история этой игрушки насчитывает не меньше шести тысячелетий. Вот только некоторые примеры применения волчка разными народами:
Древние греки не только играли с волчками – это было ещё и спортом, о чём свидетельствуют сохранившиеся до наших дней письменные источники и рисунки, которые изучали антропологи.
Древние японцы использовали волчки на зрелищных показах иллюзий и фокусов.
Африканцы и некоторые другие народы применяли волчки не только в играх – они использовались в качестве веретена для пряжи и в других рабочих целях.
На Руси была известна вертящаяся игрушка под названием «кубарь». Все знают выражение «кубарем скатился»?
Очевидно, что волчок использовали самыми разными способами практически все народы независимо друг от друга, но люди склонны всё совершенствовать и находить во всём новые грани применения. Волчок совершенствовался, усложнялся, люди выдумывали новые технические способы сделать устройство эстетичнее и интереснее, привлекательнее для игр и соревнований. В какой-то момент времени появилось нечто отдалённо похожее на современную юлу: тяжёлый, крупный волчок с удлинённым стержнем. Игрушку старались делать так, чтобы она была более устойчивой, и чтобы она вращалась всё дольше и дольше, - для этого ей добавляли специальные ручки, а зимой крутили на гладком льду.
Из литературы я узнал, что эта волшебная игрушка, которая чудесным способом сохраняет стойкость при вращении, имея только одну точку опоры, является простейшим примером гироскопа. А что же такое гироскоп, возник у меня следующий вопрос.
Что такое гироскоп?
Из энциклопедии я узнал, что гироскоп – прибор, имеющий свободную ось вращения и способный реагировать на изменение углов ориентации тела, на котором он установлен. При вращении гироскоп сохраняет свое положение неизменным. Так вот у гироскопа есть быстр вращающаяся часть - ротор, которая тоже представляет собой волчок, только с утолщенными краями. Он больше похож на йо-йо, чем на юлу. И это волчок закреплен в специальный подвес, в котором рамки вращаются в горизонтальных, вертикальных или угловых плоскостях.
Это сейчас каждый знает, почему день сменяется ночью, а ночь, в свою очередь, уступает место дню. Всё оттого, что Земля вращается. Но века полтора назад многие ещё думали так: «А может, это не Земля вращается, а, наоборот, Солнце вокруг неё ходит?» И требовали от учёных: «Нет, вы покажите нам вращение Земли, да так, чтобы хорошо было видно. Вот тогда и мы поверим». И ученые искали простой и наглядный, способ показать вращение земного шара. Нашёл его французский физик Леон Фуко.Сначала он решил использовать маятник. Давно было известно, что маятник упорно сохраняет то направление, в каком его качнули. Опыт получился. Он считал, что вращение Земли можно показать и другим, более наглядным способом.В 1852 году он построил прибор, основной частью которого был тяжёлый бронзовый волчок, вращавшийся на оси внутри кольца. Это кольцо учёный установил в другом кольце. А второе кольцо подвесил к стойке на тонкой шёлковой ниточке.Такое сложное устройство Фуко понадобилось для того, чтобы волчок мог свободно поворачиваться во все стороны и занимать любое положение.К наружному кольцу учёный прикрепил длинную лёгкую стрелку. Самый кончик её был расположен над линейкой с делениями. А чтобы видеть даже мельчайшие перемещения стрелки, Фуко поставил над линейкой микроскоп.
Этот прибор он назвал гироскопом. Название составил из двух греческих слов: «гирос» — вращение, и «скопео» — смотреть.
Фуко сильно раскрутил волчок и прильнул глазом к микроскопу. Прошло несколько секунд. Стрелка дрогнула. Кончик её чуть переместился. Учёный затаил дыхание. Всё происходило так, как он и предполагал.
Земной шар поворачивался. Вместе с ним поворачивался и стол, и стойка. Кольцо же со стрелкой оставалось на месте, повернуться ему не позволял волчок.
Виды гироскопов
Основные типы гироскопов по количеству степеней свободы:
двухстепенные,
трехстепенные.
Основные два типа гироскопов по принципу действия:
механические гироскопы,
оптические гироскопы.
Среди механических гироскопов выделяется роторный гироскоп - быстро вращающееся твёрдое тело, ось вращения которого может свободно изменять ориентацию в пространстве. При этом скорость вращения гироскопа значительно превышает скорость поворота оси его вращения. Основное свойство такого гироскопа - способность сохранять в пространстве неизменное направление оси вращения при отсутствии воздействия на него моментов внешних сил и эффективно сопротивляться действию внешних моментов сил. Это свойство в значительной степени определяется величиной угловой скорости собственного вращения гироскопа. Впервые это свойство использовал Фуко в 1852 г. для экспериментальной демонстрации вращения Земли. Именно благодаря этой демонстрации гироскоп и получил своё название от греческих слов «вращение», «наблюдаю».
Первыми появились механические приборы, от которых и пошло изучение гироскопического эффекта. Однако сфера использования таких устройств ограничена и не позволяет их интегрировать в современную технику, которая нуждается в ориентире для определения положения в пространстве. Вследствие этого появилась оптическая группа гироскопов.
Данные приборы представляют собой классическую конструкцию. Наиболее ярким представителем данной группы является роторный гироскоп. Он представляет собой быстро вращающееся твердое тело. Его ось вращения может свободно изменять свою ориентацию в пространстве. Во время работы устройства скорость вращения его центрального элемента значительно превышает обороты по другим осям. Благодаря этому роторный прибор способен сохранять направление оси вращения даже при воздействии на корпус устройства внешних сил. При попытке переместить прибор наблюдается эффект сопротивления.
Рассмотрим самый распространенный пример - механический роторный гироскоп. По сути это волчок, вращающийся вокруг вертикальной оси, которая поворачивается вокруг горизонтальной оси и в свою очередь закреплена в еще одной раме, поворачивающейся уже вокруг третьей оси. Как бы мы не поворачивали волчок, он всегда будет находится именно в вертикальном положении.В упрощенном варианте изложения принципа работы классического устройства его можно сравнить с обыкновенным детским волчком. Центральный элемент прибора вращается по своей вертикальной оси, при этом он фиксируется в рамке. Последняя способна поворачиваться только по горизонтальной оси. Она закрепляется в еще одной рамке, которая может оборачиваться вокруг третьей оси. Такая конструкция прибора позволяют его центральному элементу всегда находиться в вертикальном положении, вне зависимости от того как будет поворачиваться корпус гироскопа.
Роторные устройства не используются как датчики, а являются стабилизирующим элементом для различных конструкций и механизмов. Но я предлагаю рассмотреть самый распространенный пример - механический роторный гироскоп. Мне было очень интересно узнать как можно больше о гироскопах и я посмотрел научно-популярных фильм «Гироскоп и его применение». Из фильма я узнал о свойствах гироскопа. Проверим их на практике.
1 эксперимент. Я раскрутил гироскоп и поставил его в коробку, затем наклонил ее. Гироскоп сохранил положение своей оси. Вывод: гироскоп сохраняет неизменной положение оси в пространстве.
2 эксперимент. Я раскрутил гироскоп и толкнул его рукой. Он не упал, а переместился и продолжил вращение. Вывод: гироскоп устойчив к ударным воздействиям.
3 эксперимент.
Раскрутив гироскоп, я наклонил его относительно оси вращения, он наклонился и продолжил вращение, а спустя время, вращаясь, он, вернулся в исходное положение. Вывод: Гироскоп обладает необычной реакцией на действие внешней силы.
Практическое применение гироскопа
Благодаря своим свойствам гироскопы находят широкое применение в повседневной жизни. В космических аппаратах, в системах навигации кораблей и самолетов, в игровых приставках, в качестве тренажеров, детских аттракционах, например, таких как гироскутер и даже в мобильных устройствах. А еще мой папа пользуется навигатором, в нем тоже есть гироскоп. Следующим этапом моего исследования было посещение Механико-технологического факультета университета ЮУРГУ. Где мне удалось побеседовать со Смирновым Владимиром Алексеевичем (Доцент, кандидат технических наук)
Из беседы с кандидатом технических наук я узнал, что внимание специалистов в области гироскопии сейчас сосредоточено на поиске нестандартных применений гироскопов: геологоразведка, предсказание землятресений, медицинская техника и многое другое. У гироскопов большие перспективы в 3D-играх и в перемещениях по виртуальной реальности. Представляете, если бы в моём телефоне не было гироскопа, то я бы не смог поиграть в свою любимую игру «Гонки». Ведь чтобы повернуть руль виртуального автомобиля не нужно нажимать никаких кнопок, достаточно лишь изменить положение своего гаджета в руках. В этом помогает встроенный гироскоп. Ничего себе! Дело в том, что гироскоп помогает определить положение устройства в пространстве и узнать угол отклонения. Конечно, в телефоне нет непосредственно вращающегося волчка, гироскоп представляет собой микроэлектромеханическую систему (МЭМС), содержащую микроэлектронные и микромеханические компоненты. Как это работает на практике? Представим, что вы играете в любимую игру. Например, гонки. Чтобы повернуть руль виртуального автомобиля не нужно нажимать никаких кнопок, достаточно лишь изменить положение своего гаджета в руках.
Гироскоп так же широко используется в:
Авиации.
Автомобилестроении.
Мобильных устройствах и прочая подобная техника.
Системах стабилизации видеокамер.
Навигации.
Гироскопу даже установлен памятник.
Изготовление и проверка работы гироскопа
Изучив информацию о гироскопах, оказалось, что его можно сделать своими руками. Например, волчок Кларка. Это игрушка-волчок английского изобретателя Р. Кларка.
Мне понадобилось:
Старый CD-диск;
Цветной картон;
Гуашь, кисточка;
Клей;
Ножницы;
Пластилин;
Карандаш, заточенный утолщенный.
1. Я обвел диск на цветном картоне, чтобы получилось два круга, и вырезал их.
2. Приклеил вырезанные круги с обеих сторон диска.
3.Гуашью выполнил орнамент.
4. Проткнул середину на заготовке и вставил туда заточенный утолщенный карандаш, укрепив его с помощью пластилина.
5. Мой волчок готов. Проверяю его.
Я изготовил волчок и проверил его в действии. Модель рабочая, хорошо удерживает равновесие практически на любой поверхности.
Все отлично работает. Мне стало интересно поэкспериментировать с самодельным волчком.
1 эксперимент. Я поставил волчок Кларка на лист плотной бумаги, и сильно раскрутите его. Волчок долго вращался — на бумаге осталась лишь точка.
Вывод: Мой волчок, как и гироскоп противодействует отклонению оси вращения.
2 эксперимент. Я положил рядом с осью вращения небольшой кусочек пластилина. Снова раскрутил волчок. Теперь он, вращаясь, перемещался, а на бумаге появились спирали.
3 эксперимент. Теперь я положил кусочек пластилина в другое место, и волчок нарисовал новую кривую, непохожую на предыдущую.
Объяснить поведение волчка нетрудно. Помимо сил инерции, на вращающуюся игрушку оказывает влияние центробежная сила, величина которой зависит от массы кусочка пластилина, угловой скорости вращения волчка, расстояния от заклепки до оси вращения. Я изготовил гироскоп и проверил его в действии. Модель рабочая, хорошо удерживает равновесие практически на любой поверхности.
Интересно, а знают ли мои одноклассники и ребята старших классов о таком чуде приборе -гироскоп? Чтобы узнать это я провел анкетирование.
Я поделился своим открытием с одноклассников, и им стало интересно. Мы решили изготовить гироскопы на уроке труда. Было очень увлекательно! Теперь перемены у нас проходят весело и с пользой, мы устраиваем турниры, батлы. Итогом моей работы стало изготовление игры с использованием гироскопа.
Каждая пластина относится к одному из четырёх предметов (русский язык, математика, окружающий мир, литературное чтение). Пластина разделена на 8 секторов. В каждом секторе свой вопрос и цена вопроса в баллах. С помощью гироскопа-волчка выбирается вопрос. За каждый правильный ответ получает участник свой балл. Баллы суммируются. Игра не только очень интересна, но и познавательна. Моя игра учит помогать детям:
развивать интеллектуальные способности;
получать удовольствие от познавательной деятельности;
осваивать социальные навыки;
обнаруживать склонности к творчеству, развивать таланты
В ходе исследования моя гипотеза подтвердилась гироскоп используется повсеместно в большинстве современных устройств;
функции гироскопа незаменимы в век роботов и гаджетов;
в будущем гироскоп незаменим и продолжит развитие в виде чипов микроскопических размеров.
Литература и Интернет-ресурсы
https://www.otvetprost.ru/istoriya-proishozhdeniya-igrushki-yula-otvet-267
Википедия-свободная энциклопедия. https://ru.wikipedia.org
Гироскопы на радиоуправляемых моделях. http://www.rcdesign.ru/articles/radio/gyro_stady
Малахов А. С., Казак А. А. «Гироскоп и его применение» , Москва. 344 стр.
Энциклопедия Кругосвет. http://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika