Гироскопы. Гироскопические явления
В буквальном переводе слово «гироскоп» означает прибор для обнаружения вращения. В широком смысле гироскопом называется массивное быстро вращающееся твердое тело. Гироскоп, в особенности когда на него действуют внешние силы, может совершать удивительные движения, кажущиеся на первый взгляд неожиданными и непонятными Они всегда воспринимаются с захватывающим интересом. Быстро вращающийся волчок может служить не только забавной игрушкой, но и прекрасным демонстрационным прибором при изучении движения гироскопов. Все явления, обусловленные быстрым вращением гироскопа, называются гироскопическими. Они нашли широкие научно-технические применения.
Любой гироскоп в процессе вращение имеет точку опоры. Точкой опоры гироскопа называют точку, относительно которой происходит вращение гироскопа. В зависимости от предназначения гироскопа, его точка опоры может быть или закрепленной, или движущейся. Примером гироскопа с движущейся точкой опоры является волчок.
Прецессия
Прецессия — явление, при котором момент импульса тела меняет своё направление в пространстве под действием момента внешней силы.
Прецессия гироскопа
Наблюдать прецессию достаточно просто. Нужно запустить волчок и подождать, пока он начнёт замедляться. Первоначально ось вращения волчка вертикальна. Затем его верхняя точка постепенно опускается и движется по расходящейся спирали. Это и есть прецессия оси волчка.
Главное свойство прецессии — безынерционность: как только сила, вызывающая прецессию волчка, пропадёт, прецессия прекратится, а волчок займёт неподвижное положение в пространстве. В примере с волчком этого не произойдет, поскольку в нём вызывающая прецессию сила — гравитация Земли — действует постоянно.
Можно получить эффект прецессии, не дожидаясь замедления вращения волчка: толкните его ось (приложите силу) — начнётся прецессия. С прецессией напрямую связан другой эффект, показанный на иллюстрации ниже — это нутация — колебательные движения оси прецессирующего тела. Скорость прецессии и амплитуда нутации связаны со скоростью вращения тела (изменяя параметры прецессии и нутации в случае, если есть возможность приложить силу к оси вращающегося тела, можно изменить скорость его вращения).
Вращение (R, зелёный), прецессия (P, синий) и нутация (N, красный) планеты
Физика явления
В основе объяснения явления
прецессии лежит экспериментально
подтверждаемый факт, что скорость
изменения момента импульса вращающегося
тела 
прямо
пропорциональна величине приложенного
к телу момента силы 
:
На рис. 1 изображено вращающееся
велосипедное колесо, висящее на двух
нитях «a» и «b». Вес колеса уравновешивается
силами, вызванными деформациями нитей.
Колесо обладает моментом импульса
,
направленным по его оси и в том же
направлении направлен вектор угловой
скорости вращения колеса 
.
Рис.1 Прецессия велосипедного колеса
П
усть
в некоторый момент времени нить «b»
будет разрезана. В таком случае, вопреки
ожиданиям, вращающееся колесо не изменит
горизонтального направления своей оси
и, подобно маятнику, не будет качаться
на нити «a» . Но его ось начнёт поворачиваться
в горизонтальной плоскости благодаря
действию на него момента силы
:
Поскольку
и 
,
то 
и, так как угловая скорость
прецессии :
равна:
,
получаем:
или,
с учётом того, что 
,
где 
есть
момент инерции колеса:
[3]
Формальное объяснение
такого поведения вращающегося колеса
заключается в том, что вектор приращения
момента количества движения 
всегда
перпендикулярен вектору
,
кроме того, он всегда параллелен вектору
момента силы
,
всегда находящегося в плоскости горизонта
(к которой перпендикулярен вектор веса
тела 
).Поэтому
ось колеса прецессирует в данном случае
параллельно этой плоскости.
Приведённое объяснение
показывает как происходит
прецессия, но не даёт ответа почему,
который состоит в том, что в начальный
момент под действием силы тяжести ось
колеса всё же наклоняется в плоскости
чертежа и вектор количества движения
меняет своё положение в пространстве: 
.
Однако сила тяжести не создаёт никакого
момента в горизонтальной плоскости. И
поэтому направление и величина момента
количества движения должна оставаться
прежними, что достигается появлением
дополнительного момента 
в
выражении:
= + .
Именно этот момент и вызывает прецессию.
Рис. 3.5 О При попытках вызвать поворот оси
гироскопа определенным образом возникают
так называемые гироскопические силы. С
О' О' наличием таких сил приходится считаться,
например,
при конструировании паровых
турбин на судах. Ротор
турбины представляет
собой гироскоп, ось вращения которого
О параллельна оси судна ОО. При килевой (продольной) качке судна происходит принудительный поворот оси турбины вокруг прямой О'О'(см. рис.3.5), перпендикулярной оси ротора . Это приводит к возникновению гироскопических сил и , обусловливающих дополнительное, подчас значительное, давление оси на подшипники. Это требует специальных решений при конструировании турбины.
К материалам, из которых изготавливаются гироскопы для гироскопических приборов, предъявляются особые требования. Они должны быть изготовлены из очень прочного вещества, поскольку при высоких скоростях вращения велики центробежные силы. И при недостаточной прочности материала гироскоп просто развалится, и прибор выйдет из строя.
Рис. 3.6
Когда вращение гироскопа
сопровож-
дается воздействием каких-либо внешних сил,
наблюдается так называемая прецессия гиро-
гироскопа. Прецессия – это движение оси