XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Гироскоп
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Так как я интересуюсь военной техникой, то много читаю и смотрю видео про то, какие виды вооружения были и есть у нашей страны, а также у других стран и народов. Недавно я смотрел выпуск программы Галилео «Танк под водой» [1], в котором наш танк Т-90 преодолевал водную преграду (глубокую реку). Чтобы двигаться в условиях нулевой видимости, у механика-водителя танка установлен гирокомпас, который позволяет удерживать заданный курс даже под водой. Я узнал, что принцип действия гирокомпаса основан на использовании свойств гироскопа и суточного вращения Земли. Мне стало интересно узнать подробнее, что же такое гироскоп и какие у него свойства.
Цель проекта:
узнать как можно больше нового о гироскопах и проверить их свойства на действующих макетах.
Задачи исследования:
познакомиться с литературой по теме;
узнать историю развития гироскопов;
понять основные свойства гироскопов;
узнать интересные факты про применение гироскопов;
проверить свойства гироскопов на действующих макетах;
пополнить свою «копилку» новыми поделками.
Методы исследования:
прочитать самому о гироскопах;
спросить у взрослых, как работают гироскопы;
собрать макеты гироскопов в домашних условиях.
Гипотеза: игрушка “волчок” не падает, потому что является разновидностью гироскопа
Объект исследования: гироскоп.
Предмет исследования: свойства гироскопа, испытания гироскопов в домашних условиях.
1. История применения игрушки-волчка в Древней Руси
Когда я начал изучать информацию для моего проекта, то узнал, что простейшим примером гироскопа является игрушка-волчок, которая сохраняет устойчивость при вращении и имеет всего одну точку опоры. Так как мне интересна история нашей страны, то я искал информацию об игрушках Древней Руси. Я узнал, что большинство найденных простых деревянных волчков состоят из диска (7-8 сантиметров) и вставленной в центральное отверстие оси. Самые большие волчки имеют диски диаметром 15-18 см. Новгородские, староладожские, псковские, смоленские и белоозёрские находки представлены в том числе такими дисками, имеющими диаметр 8-25 миллиметров.
Волчок имел в верхней части специальную выемку, на которую наматывалась бечева (верёвка). Резким рывком бечева разматывалась и придавала вращение остроконечной игрушке на плоскости. При определенных навыках, а такими мальчишки обладали, бечевкой можно было подстегивать волчок, продлевая его вращение. Победитель определялся длительностью вращения игрушки. Игра была достаточно популярной, о чем свидетельствуют многочисленные находки волчков-кубарей. Они были популярны не только в Древней Руси, но и в Европе.
Рисунок 1 – игрушка волчок-кубарь
Для их изготовления в X-XIV вв. использовали дерево. Изготавливали кубари не только вручную, но и при помощи токарного станка. В Новгороде по данным Б.А. Колчина найдено не менее 700 кубарей (X-XIII вв.) [2].
2. История развития гироскопа
"Гирос" - круг, "скопео" - смотрю (греч). Вот так расшифровывается название: смотрю на круг, смотрю на вращение. Прибор, основанный на законах вращения твердых тел. У гироскопа есть быстро вращающаяся часть - ротор, которая тоже представляет собой волчок, только с утолщенными краями. Он закреплен в специальный подвес, в котором рамки вращаются в горизонтальных, вертикальных или угловых плоскостях (карданов подвес или подвес Фесселя).
Изначально гироскоп был изобретен Иоанном Боненбергером в 1817 году. Только у него вращался в подвесе шар. В 1832 году американец Уолтер Р. Джонсон заменил шар диском. Но большинство ученых считают, что теорию гироскопов следует вести от 1852 года, когда знаменитый французский физик Ж. Фуко продемонстрировал свой гироскоп, который он использовал для определения суточного вращения Земли и положения ее оси. Кстати термин "гироскоп" также принадлежит Фуко.
Рисунок 2 – гироскоп Фуко
Гироскоп реагирует на малейшее изменение положения тела в пространстве (углы наклона) с помощью специальных датчиков (грузиков). В случае отклонения тела от устойчивого положения гироскоп сам начинает стабилизировать тело, создавая обратный момент вращения (гироскопический эффект) и, если требуется, подключает специальные двигатели разгрузки. В настоящее время все, конечно, происходит под управлением электроники.
Первым сообразил приспособить гироскоп для стабилизации движения своих торпед англичанин Уайтхед. А теперь ни один летательный аппарат (стабилизация и навигация), ни одно водное судно (навигация относительно вращения Земли) не обходится без гироскопа [3].
Основные типы гироскопов по количеству степеней свободы:
двухстепенные;
трехстепенные.
Основные два типа гироскопов по принципу действия:
механические гироскопы;
оптические гироскопы.
Также проводятся исследования по созданию ядерных гироскопов.
Механические гироскопы:
Рисунок 3 – схема механического гироскопа
Среди механических гироскопов выделяется ро́торный гироско́п — быстро вращающееся твёрдое тело (ротор), ось вращения которого может свободно изменять ориентацию в пространстве. Главное свойство гироскопа – при попытке наклонить его, он старается вернуться в исходное положение. Это свойство в значительной степени определяется скоростью (частотой) вращения гироскопа [4].
3. Исследование свойств гироскопа
Роторные устройства используются как стабилизирующие элементы для различных конструкций и механизмов. Мне захотелось как можно больше узнать о свойствах гироскопа и попробовать применить их на практике. Я хожу на занятия в инженерный клуб Мегавольт в группу по изучению электроники. Когда мы знакомились с принципами создания электрических цепей, то использовали игровой набор «Знаток». В интернете я узнал, что бывает дополнение к данному набору под названием «Гироскоп. Электронный конструктор».
Рисунок 4 – игрушка-конструктор “Гироскоп”
Сборка конструктора несложная, с ней я справился самостоятельно.
Комплект включает в себя:
гироскоп;
устройство для раскрутки гироскопа (электродвигатель с шестерёнкой);
различные стойки для установки гироскопа.
Игрушка заработала, но не очень хорошо. Гироскоп быстро останавливался. Необходимо было смазать оси гироскопа (в местах заделки в корпус). После смазки осей гироскоп стал держаться вертикально в 2-3 раза дольше.
Так как это электронный конструктор, то я сначала собрал все детали по приложенной схеме. Затем поместил гироскоп в устройство для раскрутки, замкнул переключатель. Когда скорость ускорителя достигла максимальной, я принялся проводить эксперименты.
1 эксперимент: поочерёдно переставляя гироскоп на прилагаемые к набору диск, вогнутый, а затем и на выпуклый колпачки, я попытался толкнуть его, но гироскоп оказался устойчив к ударным воздействиям.
2 эксперимент: для него надо было использовать прилагаемую леску, которую я закрепил в натянутом положении между двумя колпачками. Раскрученный гироскоп я установил прорезью на леску – гироскоп не падал.
3 эксперимент: я установил раскрученный гироскоп на стойке с леской. Гироскоп вращался и не падал даже в таком положении.
В ходе этих экспериментов я проверил главное свойство гироскопа - при попытке наклонить его, он старается вернуться в исходное положение.
4. Применение принципа гироскопа
Для успокоения морской качки на кораблях, передвижения на гироскутере и ориентации картинки в телефоне служат совершенно разные устройства с общим названием – гироскопы.
Механические гироскопы
Вращение придаёт объекту стабильность в пространстве, этот принцип используют и детский волчок, и тарелочка-фрисби, и пуля нарезного оружия. Любой из этих предметов можно назвать гироскопом.
Принцип работы гироскопа внедрён в устройство нескольких видов детских игрушек. Примером этого являются йо-йо, волчок, спиннер, кистевой гироскопический тренажёр.
Рисунок 5 – тренажёр “Гироскоп”
Я попробовал раскрутить такой тренажёр, но оказалось, что это не просто, однако, после нескольких попыток у меня получилось.
Электромеханические гироскопы
Стабилизаторы для камер и смартфоны также оснащены гироскопами, но работающими по другому принципу. В их основе лежат микроэлектромеханические системы – это микросхемы со встроенными датчиками ускорений, переводящими пространственные перемещения в электрические импульсы. Благодаря гироскопу в мобильном телефоне удалось реализовать функцию управления встряхиванием. Особенно полезным такой гироскоп является для реализации управления в играх, в частности гонках [5].
Приборы, работающие с применением принципа гироскопа, являются неотъемлемым оборудованием в авиации. Беспилотные летательные аппараты (дроны) имеют три гироскопа, обеспечивающих стабилизацию.
5. Восстановление гироскопического самолёта
В интернете я вместе с родителями нашёл информацию про интересную игрушку “ГИРОСКОПИЧЕСКИЙ САМОЛЁТ”. Сейчас такие игрушки не делают, мы нашли объявление только о продаже старой. Оказалось, что ей почти 50 лет, она была сделана в 1973 году. Открыв посылку, я увидел, что игрушка достаточно потрёпана, но её можно восстановить:
гироскоп изготовлен из металла и вполне исправен;
подставка для гироскопа отсутствует, но её можно сделать;
у модели самолёта отсутствует горизонтальное оперение;
коробка сильно повреждена.
Рисунок 6 – игрушка “гироскопический самолёт Ту-104” до восстановления
Для восстановления игрушки я выполнил следующие действия:
изготовил деревянную подставку из круглой доски и стержня;
приклеил к модели самолёта горизонтальное оперение;
покрасил модель самолёта;
с помощью картона восстановил коробку от игрушки;
смазал специальной смазкой подшипники трения гироскопа;
чтобы было удобнее раскручивать гироскоп, я собрал специальное приспособление из электрического двигателя, выключателя и батареек.
Гироскопический самолёт снова заработал! Если при раскрученном гироскопе отклонить штангу с самолётом, то он начнёт медленно вращаться вокруг подставки.
Рисунок 7 – восстановленная игрушка “гироскопический самолёт Ту-104”
Мне стало интересно, что же за самолёт теперь у меня есть? Оказалось, что Ту-104 это первый советский реактивный пассажирский самолёт, он также интересен тем, что сделан на основе бомбардировщика Ту-16 путём замены фюзеляжа [6].
Заключение
При работе над проектом «Гироскоп» я узнал, что такое гироскоп и кто его придумал. Я узнал свойства гироскопа: это устойчивость за счёт быстрого вращения.
Также я узнал, что такое подшипник скольжения и что силу трения можно уменьшить с помощью специальной смазки.
При работе над проектом я применил свои умения, полученные на занятиях по столярному делу и электротехнике.
В ходе исследования моя гипотеза подтвердилась:
волчок не падает за счёт того, что крутится, то есть работает как гироскоп;
функции гироскопа незаменимы в век роботов и разнообразных электронных устройств;
в будущем гироскоп незаменим и продолжит развитие в виде чипов микроскопических размеров.
Я поделился знаниями о гироскопах с друзьями и однокласниками.
Результатом своего проекта представляю выставку «Игрушки с гироскопами»
Список источников и литературы
https://www.youtube.com/watch?v=JbYxXFnobI4, Галилео. Танк под водой.
https://bibliotekar.ru/rusNovgorod/70.htm?ysclid=lbot6zh477254016000, Новгород и Новгородская земля. История и археология.
https://dzen.ru/id/5a630d2c9b403c5442578563, Наука, техника и люди.
https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D0%B8%D1%80%D0%BE%D1%81%D0%BA%D0%BE%D0%BF, Википедия. Гироскоп.
https://kakrabotaet.ru/kak-eto-rabotaet/princzip-raboty-giroskopa/?ysclid=lbp1q1scrw821377849, Как это работает? Принцип работы гироскопа.
https://arsenal-info.ru/pub/grazhdanskie-samolety/tu-104-dvigatel-razmery-istoriya-dalnost-poleta-prakticheskiy-potolok