Вращательное движение тела: принцип гироскопа, центробежная и центростремительная силы

Тело совершает вращательное движение, если оно вращается вокруг неподвижной точки или обращается вокруг нее по замкнутой кривой.

Есть 2 примера вращательного движения: например, колесо вращается, а Земля обращается вокруг Солнца. В процессе этих движений на тело действует различные силы: на вращающиеся — гироскопические, а на тело, движущиеся по кругу, — центростремительные.

Вращательное движение тела: принцип гироскопа, центробежная и центростремительная

Принцип действия гироскопа и его применение на практике

Гироскоп представляет собой диск, вращающийся вокруг своей оси. Самый простой гироскоп — детский волчок. При вращении гироскоп сопротивляется попыткам наклонить его ось. Это его свойство называется гироскопической инерцией. Для того, чтобы раскрутить гироскоп, на ось наматывают тонкий шнурок и дергают за него, держа в руках рамку. Быстро вращающийся может стоять на острие карандаша или на кончике пальца: гироскопическая инерция не дает оси колеса отклоняться от своего положения. Это явление используется в гирокомпасах и гиростабилизаторах.


Подробное учебное видеопособие о принципе работы гироскопа

Гироскоп состоит из вращающегося на оси маховика. Рамка, в которой установлен маховик, может поворачиваться только вокруг оси вращения маховика, но ни в каком другом направлении.

Гирокомпасы — принцип его работы и применение на практике

В гирокомпасах диск гироскопа вращается постоянно — его приводит в действие электродвигатель. Ось гироскопа в двух связанных между собой кольцах, так называемом карданном подвесе. Поворот внешнего кольца не оказывает влияние на гироскоп, находящегося во внутреннем кольце.

Игрушечный гироскоп сохраняет состояние равновесия на острие карандаша. Массивный металлический диск вращается с частотой около 20 об/с. Гироскопическая инерция удерживает ось гироскопа под постоянным углом и препятствует наклону гироскопа и падению с кончика грифеля.

Принципиальная схема гирокомпаса

Внешнее кольцо карданова подвеса свободно поворачивается в любом направлении, а ось вращающегося во внутреннем кольце гироскопа остается в одном и том же положении.


Видео работы гирокомпаса в карданной подвесе

Гирокомпасы применяются на судах, в самолетах и ракетах. В отличие от магнитных компасов на их работу не влияют быстрые перемещения, находящиеся по соседству магнитные предметы и электрические провода. Когда диск гирокомпаса начинает вращаться, ось гирокомпаса устанавливают в пространстве в определенном положении, а затем она сохраняет заданную ориентацию. Если транспортное средство изменяет курс, ось гироскопа продолжает указывать первоначальное направление.


На видео лектор демонстрирует на эксперименте возможность определения направления Земли с помощью гироскопа.

Гиростабилизаторы и их применение

Гиростабилизаторы — это сложные устройства, которые уменьшают качку судов в море. Гироскопы, установленные в карданном подвесе, реагируют на изменения положения судна при качке. Датчики на подвесе посылают сигналы, которые после обработки компьютером используются для управления горизонтальными рулями на днище корабля. Эти рули действуют как крылья — они создают силу, которая стремится наклонить корпус судна в сторону, обратную наклону от ударов волн. Постоянная работа горизонтальных рулей позволяет судну идти практически без бокового крена.

Как работает гироскутер

Сегодня среди мобильных средств передвижения набирает популярность гироскутер на двухколесной платформе, принцип которого основан на вышеописанном гироскопе.

Подробнее разобраться в принципе его работы нам поможет видеоролик.

Центростремительная и центробежная сила и связанные с ними явления

Тела, движущиеся по замкнутым орбитам, ведут себя иначе, чем вращающиеся гироскопы. Они испытывают на себе действие центростремительной силы.

Первый закон Ньютона утверждает, что тело движется прямолинейно, пока на него не действует внешняя сила. Тело, двигающееся по замкнутой кривой, постоянно испытывает центростремительную силу, придающую ему ускорение, направленное к центру вращения.

Чтобы понять действие этой силы, представьте кошку, сидящую в центре в центре большой поляны, и человека, который прогуливается с собакой по этой поляне. Почуяв кошку, собака захочет ее схватить и будет рвать к центру поляны, натягивая поводок. Ее хозяин будет стремиться продолжать прогулку далее по прямой, а собака будет сбивать его с этого пути. В результате хозяин с собакой совершат круг, в центре которого будет кошка. Собака в данном случае создает центростремительную силу, которая является причиной вращательного движения.

Планеты Солнечной системы движутся вокруг светила по орбитам, которые по форме почти совпадают с окружностями. Тяготение, существующее между Солнцем и планетами, создает центростремительную силу, которая отклоняет планеты от прямолинейной траектории и заставляет их кружиться по замкнутым орбитам. Точно таке тяготение Земли удерживает на орбите Луну.

Человек, который сидит в машине, выполняя круговой поворот, чувствует, как его тянет к стенке кабины с внешней стороны поворота. Это ощущение связано с тем, что тело человека стремиться продолжать движение по прямой, когда машина, слушаясь руля, начинает поворачивать. Силу, которая при этом возникает, часто называют центробежной, но в действительности подобное явление обязано всего лишь инерции — стремлению любого тела сохранять прямолинейное равномерное движение.

Такой же эффект наблюдается в барабане для отжима белья в стиральной машине. Мокрое белье загружают в барабан с отверстиями. Когда барабан начинает вращаться, вода через отверстия разлетается в стороны. Это происходит потому, что на капли воды у отверстий не действует центростремительная сила со стороны стенки барабана, которая удержала бы их внутри, заставляя вращаться вместе с бельем. Как только капли отрываются от барабана, они движутся по прямой.

На подобном принципе основана работа центрифуги, разделяющей жидкости разной плотности. Когда смесь начинает вращаться, тяжелые составляющие стремятся ко дну сосуда, а легкие «всплывают» к центру барабана. В пищевой промышленности центрифуги используют, чтобы отделить кристаллы сахара от сиропа и выделить сливки из молока. В медицине при помощи центрифуги разделяют тельца, плавающие в крови и других тканевых жидкостях.

Высокоскоростные центрифуги развивают частоту вращения 200 000 об/мин и более. В них даже можно разделять молекулы разной массы. Большие центрифуги помогают космонавтам привыкнуть к перегрузкам, которые их ждут в космическом полете.

(4 votes, average: 4,75 out of 5)
Загрузка...