迴轉儀

迴轉儀是利用陀螺高速旋轉時軸的方向恆定不變的特性而製成的一種裝置，陀螺儀主要是由一個位於軸心且可旋轉的轉子構成。 陀螺儀一旦開始旋轉，由於轉子的角動量，陀螺儀有抗拒方向改變的趨向。陀螺儀多用於導航、定位等系統。正旋轉中的陀螺的特性，是穩定地保持平衡和斷然地反抗一切把它推倒的企圖，這在遠古時代大家都已知道了。

基本介紹

• 中文名：迴轉儀
• 外文名：Gyroscope
• 使用方面：導航、定位
• 套用：軍事
• 學科：機械

設備介紹

迴轉儀是一種方向恆定不變的裝置。經過了許多世紀的時光，並未發現陀螺在實際上的使用，始終不過是件有趣的玩意兒罷了。只是在現代技術上,它的奇妙特性才受到了評價和利用。特殊構造的陀螺，或者把它叫做迴轉儀，變成在航空上、船隻使用。

迴轉儀

原理介紹

剛體所受合外力矩為零時，動量矩守恆，剛體便在慣性支配下轉動，其動量矩的大小和軸的方向將保持不變。

主要作用

迴轉儀是利用物體高速轉動時轉軸方向不變的特性製成的。迴轉儀的主要部分是厚重、對稱的高速陀螺，一般由內外兩環組成的支架支承。這兩個環可分別繞相互垂直的兩個軸轉動，這樣陀螺的轉軸可以占據空間的任何方位。陀螺高速轉動時，如果沒有外力矩作用，轉軸方向恆保持不變，即使支架發生轉動或其他變化，都不影響轉軸方向。通常把迴轉儀用作定向裝置或穩定裝置等。

操作方法

l、將電機的電源線接入220V電源，腳踩腳踏開關，啟動電機。

2、將迴轉儀四個外環調整到同一平面內，電機轉速正常後，將回儀的轉子放在電機的旋轉輪上，轉子在電機的帶動下，即可高速旋轉起來（手應握緊迴轉儀的手柄及四個外環，注意轉子的旋轉方向應和標示箭頭方向一致），待轉子高速旋轉起來後，放開腳踏開關，可以演示迴轉現象。這時可以手持， 仔意改變外環的方向，我們看到轉子的方向始終保持不變，實驗完畢再將其插入底座中。

3、將轉盤插入底座上持用，將迴轉陀螺在啟動電機的帶動下，使其高速旋轉起來（手應握緊，注意旋轉方向應該和標示方向一致）將迴轉陀螺有橫桿的一端放在轉盤上，看到迴轉陀螺高速旋轉的同時轉盤也轉動起來，迴轉陀螺明顯減速後，應迅速將其取了，以免陀螺倒下滾動傷人或滾遠。

4、將高速旋轉的陀螺放在插座上，用來演示迴轉和進動現象。

5、將高速旋轉的陀螺放在軌道上，演示陀螺下滑及進動。

演示方法

繞旋轉對稱軸以很大的角速度轉動的物體，如果沒有外力矩的作用，由於慣性，物體轉動軸的方向保持不變。迅速轉動的陀螺受外力矩（如重力力矩）作用時，它並不是立即傾倒，而是轉動軸繞著某固定軸緩緩轉動。一個自轉的物體受外力矩作用導致其自轉軸繞豎直軸旋轉，這種現象稱為進動。

槓桿式迴轉儀是一種最常見的進動演示儀器，該儀器可以直觀地演示出剛體的進動和陀螺的定軸性這一物理現象，幾乎所有學校用它來演示進動，以加深學生對剛體角動量與力矩的關係的理解。也有人提出了一些改進的迴轉儀來更清楚的演示這一現象，但是這些基本上都停留在定性的演示。如果能夠對這一現象進行定量分析，學生通過測量各運動狀態量，並經過自己動手計算各運動量之間的關係，將會對這一現象有更加深刻的認識，也培養了他們的動手能力與科學計算的素養。

現象分析

槓桿式迴轉儀的結構見圖1，裝有圓輪的鐵桿既能夠繞著水平軸轉動，又能和水平軸繞豎直軸旋轉。配重塊能沿著鐵桿移動。如果對槓桿式迴轉儀進行仔細觀察，會發現有如下主要現象：

圖1 槓桿式迴轉儀結構圖

（1）調節配重塊的位置，使系統的重心通過支點，圓輪的自轉軸處於水平方位，整個系統處於平衡狀態。使圓輪快速轉動，可以看到無論怎樣旋轉鐵桿，圓輪的轉軸方位始終保持不變，即角動量不變。

（2）調節配重物的位置，使系統的重心不過支點，即整個系統對支點軸受有重力矩作用。如果讓圓輪繞鐵桿旋轉起來時，槓桿式迴轉儀就會產生進動現象。增大圓輪自轉速度，進動速度將會減慢。改變圓輪的自轉方向，鐵桿的水平擺動角速度方向也隨之改變。

（3）圓輪自轉速度一定，如果移動配重塊位置，進動速度也將發生變化。配重塊越靠近旋轉軸，進動速度也越大。

運動量測量

槓桿式迴轉儀的運動量主要為圓輪的自轉速度，圓輪繞豎直旋轉軸Z轉動的進動角速度和圓輪進動的角度，我們分別使用霍爾感測器、光電感測器和電位器型角度感測器來完成這些量的測定。

圖2 定理測量的電路框圖

（1）自轉角速度的測定

自轉角速度的測定可以採用霍爾式感測器，測量方法如圖2所示。在圓輪上按一定角度固定若干小磁鐵，霍爾感測器固定在鐵桿上，圓輪旋轉時帶動磁鐵旋轉。當磁鐵經過霍爾感測器時，霍爾感測器產生電脈衝，通過記錄各電脈衝之間的間隔時間可以間接測量出圓輪旋轉角速度。

（2）進動角速度的測定

進動角速度的測量採用光電式感測器，在豎直軸軸套上固定一個光電感測器，在豎直旋轉軸上固定擋片，擋片間隔為90°，豎直旋轉軸轉動時帶動擋片旋轉，其結構如圖1所示。擋片依次通過光電感測器，光電感測器產生一個脈衝。通過計算相鄰脈衝間隔時間就能準確的實現進動角速度的測量。

（3）進動角度的測量

對於進動角度的測量可以選用電位器型角度感測器，感測器固定部分連線到豎直軸軸套上，滑動端接在豎直旋轉軸上。

實驗結果分析

通過槓桿式迴轉儀的定量演示，使學生們對力矩和角動量等有了初步的認識，再通過計算各運動量的關係，對角動量定理，力矩與進動速度間關係、角速度與進動速度間的關係能有更進一步的理解。研究也對角速度和角度的測量方法進行了介紹，通過動手測量，計算激發學生探索理論聯繫實際的能力，拓展了知識面，對槓桿式迴轉儀運動狀態的定量分析有著重要的意義。

影響

迴轉儀有內、外兩個地球儀，外地球儀以南北兩極為鉸點，鉸接在地球儀支架上，然後以外地球儀赤道線上經度為 0°和 180°的兩點為鉸點，在其內部再配置一個地球儀。當施力轉動外地球儀時，內地球儀雖然未被施力，但也會產生轉動；同理，當施力轉動內地球儀時，外地球儀也會產生轉動。這種物理學現象稱為 “迴轉儀效應” ，也稱 “陀螺儀效應”。汽車轉向橋中的前橋與兩個轉向節也相當於一個迴轉儀，它是以兩轉向節中心線與主銷中心線的交點為鉸點，前橋相當於內地球儀，轉向節相當於外地球儀。當一側的轉向輪或前橋單邊跳動時，相對於另一側不跳動的轉向輪，前橋會產生一個傾斜的偏離角， “迴轉儀效應” 使轉向節也轉動一個相應的角度。也就是說，安裝在轉向節上的轉向輪會產生一個轉向角。

如果不考慮阻尼作用，這兩個角度相等，跳動量越大， “迴轉儀效應”產生的轉向角也越大。如果轉向輪或前橋單邊發生循環上下跳動，則轉向輪也會產生左右抖動。此外，汽車車身越窄，兩鉸點的距離越小，跳動時產生的偏離角就越大，“迴轉儀效應”就越明顯。非獨立懸架由於有剛性的前軸，其 “迴轉儀效應” 的反應比獨立懸架更明顯。“迴轉儀效應” 對汽車轉向系統和制動系統的影響都很大。

路面不平時

在汽車行駛中，單邊轉向輪突然遇到障礙物跳起或遇到凹坑下陷時，相對於另一側未跳動的轉向輪，兩轉向節的鉸產生一個傾斜的偏離角，“迴轉儀效應”會使兩轉向輪也產生一個轉向角，並通過轉向節臂、直拉桿、轉向器臂、轉向器傳動齒輪副、方向盤桿件傳遞給方向盤，使方向盤產生突然間的跳轉。由於桿件槓桿比和傳動齒輪速比的放大（一般在 12～15 倍），當轉向輪產生的轉向角大於 3°時，方向盤的跳轉會大於45°。因此，當汽車在不平路面行駛時，駕駛員手握方向盤的姿勢一定要正確，不得將手指、手腕放在方向盤的內側，以避免方向盤突然跳轉時受傷。

轉向輪跳動與“迴轉儀效應” 產生的轉向角的方向分析如下：以左轉向輪為例，當左轉向輪遇到障礙物向上跳起時，左鉸相對於右鉸產生一個順時針的向上的偏離角，左轉向輪會產生一個向右（向內）的轉向角，而右轉向輪的右鉸相對於左鉸是向下的偏離角，右轉向輪也會產生一個向右（向外）的轉向角，兩轉向輪的偏轉方向相同。當左轉向輪遇到凹坑下陷時，左鉸相對於右鉸產生一個逆時針的向下的偏離角，左轉向輪會產生一個向左（向外）的轉向角，而右轉向輪的右鉸相對於左鉸是向上的偏離角，右轉向輪也會產生一個向左（向內）的轉
向角，兩轉向輪的偏轉方向相同。同理，當右轉向輪發生跳動時，左、右轉向輪也會產生由“迴轉儀效應” 引起的轉向角，且兩轉向輪的轉向角方向相同。

行駛跑偏

在汽車行駛中，由於左、右側裝載不均，輪胎尺寸、氣壓不等，左、右懸架剛度不等以及一些其它原因造成車架、車橋（特別是轉向橋）左、右兩側有一定傾斜時，左、右轉向節的兩鉸也會產生一定的傾斜或有傾斜的趨勢。根據“迴轉儀效應” ，兩轉向輪也會產生一個轉向角或有產生轉向角的趨勢。當駕駛員鬆開方向盤時，汽車就會按這個轉向角的方向跑偏。顯然，當車輛左高右低時會向右跑偏，右高左低時會向左跑偏。

這裡需要特別指出的是鋼板彈簧的剛度。鋼板彈簧總成未裝配前自由狀態的剛度稱為“自由剛度” ，它的剛度計算長度是全長的一半（剛度與計算長度的三次方成反比），即鋼板彈簧銷到鋼板彈簧中心的距離；鋼板彈簧總成與前橋裝配後的剛度稱為“夾緊剛度” ，理論上“夾緊剛度”的計算長度是從鋼板彈簧銷到“U”形螺栓中心線的距離，兩者是不一樣的。實際上，“夾緊剛度” 會隨“U”形螺栓擰緊力矩的變化而變化，擰緊力矩大，趨於 “夾緊剛度”；擰緊力矩小，趨於 “自由剛度”。因此，在檢查兩側鋼板彈簧剛度時，不僅要檢查鋼板彈簧的撓度是否一樣，還要檢查左、右側“U”形螺栓的擰緊力矩是否一致。此外，鋼板彈簧因磨損變薄、有細小的裂紋等，都會使其剛度下降，這用目測檢查是很難發現的，一般採用更換鋼板彈簧總成或將左、右側鋼板彈簧對調來排除故障。

轉向穩定效應

在汽車轉向時，由於離心力的向外作用，使左、右車輪也產生輪荷之間的轉移，即內輪的輪壓減小，外輪的輪壓增大。又由於兩側的懸架和輪胎都是彈性體，汽車車架及轉向橋會產生向外的傾斜，兩轉向節鉸產生一個偏離角或有產生偏離角的傾向。根據“迴轉儀效應”，兩轉向輪也相應產生一個向外的轉向角或有產生轉向角的傾向，它的方向與汽車轉向時的轉向角方向相反，使汽車產生不足轉向或有產生不足轉向的趨勢，因此加大了駕駛員在轉向時對方向盤的用力程度。

由於不足轉向會使汽車的轉向穩定性增大，因此汽車轉向時的“迴轉儀效應”是有利於轉向時的操縱穩定性的，但增大了駕駛員轉向時的方向盤操作力。“迴轉儀效應”產生的轉向穩定效應隨著轉向時的離心力的增大而增大，但相對於其它幾個轉向穩定效應來說是比較小的，所以常被忽略不計。