Об акцентировании внимании учащихся на практическом применении изучаемых физических законов на примере темы: "Гироскоп"

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Об акцентировании внимании учащихся на практическом применении изучаемых физических законов на примере темы: “Гироскоп”

к.ф.-м.н., Тарасов Д.П., к.ф.-м.н., Сидоркин А.Ф., Лозовский В.А.

Как известно физика - наука экспериментальная. Все физические законы, физические исследования начинаются с опыта, подтверждаются или опровергаются опытом. В процессе преподавания очень важно акцентировать внимание учащихся на практическом применении физических законов. Одним из законов физики имеющий множество практических применений является закон сохранения момента импульса. Рассмотрим применение данного закона на примере устройства, названного гироскопом, нашедшего широкое использование в военной и навигационной технике.

До изобретения гироскопа человечество использовало различные методы определения направления в пространстве. Издревле люди ориентировались визуально по удалённым предметам, в частности, по Солнцу. Уже в древности появились первые приборы: отвес и уровень, основанные на гравитации. В средние века в Китае был изобретён компас, использующий магнетизм Земли. В Европе были созданы астролябия и другие приборы, основанные на положении звёзд.

Гироскоп - основная часть таких приборов, как указатель курса, поворота, горизонта, сторон света, гирокомпас. Внутри этих приборов вращаются со скоростью в несколько десятков тысяч оборотов в минуту небольшие роторы-волчки, укрепленные в кардановом подвесе. Корпус прибора можно поворачивать как угодно, при этом ось вращающегося гироскопа будет сохранять неизменное положение в пространстве.

Впервые свойства гироскопа открыл Иоанн Боненбергер, немецкий астроном и математик. В 1817 он сумел сконструировать первую модель, которая работала по принципу гироскопа. Название же новому изобретению дал известный ученый Мишель Фуко.

Во второй половине XIX века было предложено использовать электродвигатель для разгона и поддержания движения гироскопа. Впервые на практике гироскоп был применён в 1880-х годах инженером Обри для стабилизации курса торпеды. Гироскоп Обри устанавливался в кардановом подвесе так, чтобы его ось вращения была параллельна продольной оси торпеды. Ротор гироскопа приводился во вращение за несколько секунд до выстрела, когда ось торпеды была уже направлена на цель. При движении торпеды гироскоп продолжал сохранять исходное направление и при возникновении отклонений торпеды поворачивал ее рули таким образом, чтобы обеспечить неизменность курса. Аналогичные приборы в различных вариантах исполнения и под разными наименованиями в 20-х XX века стали использовать также на самолетах для указания курса (гироскопы направления, гирополукомпасы), а позднее для управления движением ракет.

Гироскопы нашли применение при прокладке туннелей для метро и железнодорожного транспорта (наземные маркшейдерские гирокомпасы), при выяснении формы буровых скважин (инклинометры), а также в качестве компасов сухопутной артиллерии. Они используются при стабилизации стволов танковых орудий и в орудийных прицелах зенитной артиллерии. При первом практическом применении прицелов этого типа (Сперри-14) во время второй мировой войны зенитные пушки одного из военных кораблей сбили 32 самолета противника в течение одного боя.

Первый гироскоп на советском серийном танке появился в середине 1950-х годов, на модели Т-10 (ИС-10). Такая система стабилизации испытывалась на опытном экземпляре машины, зарегистрированной как «объект 267 сп.1» (сп.1 -- первая спецификация). Разработчики применили принципиально новый перископический оптико-гироскопический прицел ТПС-1 (танковый перископический стабилизированный), одно из его зеркал стабилизировалось в вертикальной плоскости с помощью гироскопического устройства. Точное наведение обеспечивал электрогидравлический привод за счёт работы датчика по разности углов установки прицела и пушки.

Испытания показали, что такая система «с независимой линией визирования» оказалась значительно эффективнее «зависимой», принятой позднее на среднем танке Т-54/55, в которой от датчиков гироскопа стабилизировалось орудие, а прицел имел с ним жёсткую механическую связь. Танк Т-10 с одноплоскостным стабилизатором орудия был принят на вооружение Советской Армии под обозначением Т-10А постановлением Правительства № 649-378сс от 17 мая и приказом министра обороны от 11 июня 1956 г. В том же году на Челябинском тракторном заводе началось серийное производство таких машин, получивших обозначение «объект 730А». В 1956 г. успели построить 30 танков Т-10А.

Большое применение находят гироскопические приборы для автоматического управления движением самолетов и кораблей. Для поддержания заданного курса корабля служит “авторулевой”, а самолета - “автопилот”.

В приборе “авторулевой” применен свободный гироскоп с большим собственным моментом импульса и малой силой трения в местах карданова подвеса. Направление движения корабля задается направлением оси свободного гироскопа. При любых отклонениях корабля от курса, ось гироскопа сохраняет свое прежнее пространственное направление, а карданов подвес поворачивается относительно корпуса корабля. Поворот рамы карданова подвеса отслеживается при помощи специальных устройств, которые выдают команды автоматам на поворот руля и возвращение корабля на заданный курс.

“Автопилот” снабжен двумя гироскопами. У одного из них ось располагают вертикально и в таком положении раскручивают гироскоп. Вертикально расположенная ось гироскопа задает горизонтальную плоскость. Ось второго гироскопа располагают горизонтально, ориентируя ее вдоль оси самолета. Этот гироскоп постоянно "знает" курс самолета. Оба гироскопа дают соответствующие команды механизмам управления, поддерживающим полет самолета по заданному курсу.

В настоящее время автопилотами оборудованы все современные самолеты, предназначенные для длительных полетов. Гироскоп служит важной составной частью в системах управления космических аппаратов.

Гироскопы применяют так же в системах навигации. Инерциальная навигация относится к такому способу определения местоположения в пространстве, при котором не используются данные каких-либо внешних источников. Все чувствительные элементы находятся непосредственно на борту транспортного средства. Инерциальные измерители линейных ускорений - акселерометры установлены на так называемой гиростабилизированной платформе. Эта платформа, используя свойства гироскопа - сохранять неизменной ориентацию своей оси в пространстве, обеспечивает строго горизонтальное положение осей чувствительности акселерометров (с точностью до единиц угловых секунд). Измеренные ускорения дважды интегрируются, и, таким образом, получается информация о приращении местоположения подвижного объекта. Объединенные общей задачей определения координат подвижного объекта, гироскопы и акселерометры образуют инерциальную навигационную систему (ИНС). Помимо этой задачи ИНС поставляет информацию об угловой ориентации объекта: углах крена, тангажа и рыскания (курса) и о скорости объекта. Конструкция современной ИНС вобрала в себя последние достижения точной механики, теории автоматического управления, электроники и вычислительной техники.

Конструктивно ИНС можно разделить на два класса: платформенные и бескарданные. В первых гиростабилизированная платформа реализована физически в виде рамы трехстепенного карданного подвеса. В таких системах используются традиционные гироскопы с вращающимся ротором. Точность таких систем может достигать 1 морской мили (900 м) за час работы. Эти системы входят в состав бортового навигационного оборудования тяжелых самолетов.

Другой класс - бесплатформенные ИНС (БИНС) отличаются тем, что плоскость горизонта в них реализована математически, используя данные гироскопов и акселерометров. В этих системах могут быть использованы лазерные и волоконно-оптические гироскопы. Здесь нет вращающихся частей, а об угловой скорости судят по фазовой задержке лазерного луча пробегающего по замкнутому контуру. Точность этих систем 1 морская миля за час. Они существенно конструктивно проще и дешевле платформенных. По последним данным лучшие образцы БИНС способны показывать точность, сравнимую с точностью платформенных систем.

Поскольку системы инерциальной навигации автономны, на их работе не сказываются погодные условия. Они не поддаются радиоэлектронному подавлению и обеспечивают скрытность (не генерируют электромагнитного излучения, выдающего присутствие летательного аппарата).

Одним из недостатков систем инерциальной навигации является то, что их необходимо настраивать (выставлять) не только по скорости и местоположению, но и по пространственному положению (ориентации относительно заданной базы, например горизонта).

Почти каждое морское судно дальнего плавания снабжено гирокомпасом для ручного или автоматического управления судном, некоторые оборудованы гиростабилизаторами. В системах управления огнем корабельной артиллерии много дополнительных гироскопов, обеспечивающих стабильную систему отсчета или измеряющих угловые скорости. Без гироскопов невозможно автоматическое управление торпедами. Ось гироскопа сохраняет свое направление на цель, в то время как ее ориентация относительно корабля может меняться. При этом включаются двигатели, производящие переориентировку торпеды.

Самолеты и вертолеты оборудуются гироскопическими приборами, которые дают надежную информацию для систем стабилизации и навигации. К таким приборам относятся авиагоризонт, гировертикаль, гироскопический указатель крена и поворота. Гироскопы могут быть как указывающими приборами, так и датчиками автопилота. На многих самолетах предусматриваются гиростабилизированные магнитные компасы и другое оборудование - навигационные визиры, фотоаппараты с гироскопом, гиросекстанты. В военной авиации гироскопы применяются также в прицелах воздушной стрельбы и бомбометания.

Гироскопы разного назначения (навигационные, силовые) выпускаются разных типоразмеров в зависимости от условий работы и требуемой точности. В гироскопических приборах диаметр ротора составляет 4-20 см, причем меньшее значение относится к авиационно-космическим приборам. Диаметры же роторов судовых гиростабилизаторов измеряются метрами.

Искусственные спутники Земли, как правило, оснащаются несколькими независимыми гироскопами, вращающимися в разных плоскостях, и бортовая электроника, сопоставляя данные нескольких гироскопических компасов и усредняя поправки на возможные отклонения их показаний, безошибочно определяет координаты и ориентацию спутника в околоземном пространстве.

Сегодня созданы настолько точные гироскопические системы, что дальнейшего повышения точностей многим потребителям уже не требуется, а сокращение средств, выделяемых для военно-промышленного комплекса в бюджетах ведущих мировых стран, резко повысило интерес к массовым гражданским применениям гироскопической техники, которые были ранее на периферии внимания разработчиков. Наконец, выдающийся прогресс в области высокоточной спутниковой навигации GPS сделал ненужными автономные средства навигации в тех случаях, когда сигнал со спутника может приниматься непрерывно.

Таким образом, благодаря приведённому примеру мы можем сделать вывод, что в процессе преподавания физики изложение теоретических вопросов будет намного более интересным при акцентировании внимания учащихся на практическом применении изучаемых физических законов.

гироскоп автопилот навигация

Список литературы

1. Ишлинский А.Ю., Борзов В.И., Степаненко Н.П. Лекции по теории гироскопов. М.: Изд-во МГУ, 1983. - 248 с.

2. Шестов С.А. Гироскоп на земле, в небесах и на море. М.: Знание, 1989. - 188с.

3. Магнус К. Гироскоп: Теория и применение. М.: Мир, 1974. - 526 с.

Размещено на Allbest.ru