基本介紹
設備介紹,原理介紹,主要作用,操作方法,演示方法,現象分析,運動量測量,實驗結果分析,影響,路面不平時,行駛跑偏,轉向穩定效應,
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
迴轉儀原理介紹
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
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
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。
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。
