Problema del giroscopio
Los objetos tienden a mantener su estado original de movimiento, que es simplemente "inercia". La inercia es una de las características comunes de todos los objetos. Representa la resistencia a cambiar el estado de movimiento original. También se puede decir que es la inercia que mantiene el estado de movimiento original.
Para objetos que se mueven en línea recta (u objetos que tienen tendencia a moverse en línea recta). El tamaño de la inercia está relacionado con la masa del objeto; cuanto mayor es la masa, mayor es la inercia y más difícil es para un objeto estacionario comenzar a moverse y más difícil es para un objeto que se mueve en línea recta; detener.
Por ejemplo: compara una locomotora y un vagón de grava; una locomotora es más fácil de arrancar o frenar.
Los objetos en rotación también tienden a mantener su estado de rotación original, lo que también se llama "inercia" (o "momento de inercia"). Su tamaño está relacionado no sólo con la masa, sino también con la distribución de la masa con respecto al eje de rotación. Con la misma masa, cuanto más lejos del eje de rotación, mayor es la inercia y más difícil es arrancar.
Por ejemplo, los rotores de los helicópteros son más largos que los de los aviones de hélice normales, por lo que resulta más difícil arrancar.
El momento angular mencionado en la exposición se refiere al producto de la inercia y la velocidad angular (una cantidad física relacionada con la dirección y la velocidad de rotación del eje de rotación). El par combinado de un objeto en rotación (es decir, el efecto total de todos los efectos del par; o la influencia total de todas las fuerzas sobre la rotación) es cero o no tiene influencia de fuerza externa, y el momento angular permanece sin cambios. llamada ley de conservación del momento angular.
Cuando cambiamos la distribución de la materia en un objeto en rotación, la inercia también cambia. En esta actividad, cuando las manos están abiertas, la inercia es mayor (una parte de la masa corporal se distribuye alejada del eje de rotación). Después de comenzar a girar, si las manos se retraen rápidamente, la inercia se vuelve más pequeña y la rotación se vuelve más rápida (según la conservación del momento angular, el producto de la inercia y la velocidad angular permanece sin cambios; a medida que la inercia disminuye, la velocidad angular debe aumentar y el producto de los dos permanece inalterado. Por el contrario, ábrelo de nuevo con las manos abiertas, la inercia aumenta y la rotación se ralentiza.
Cuando un patinador artístico, un saltador o un bailarín de ballet quiere. gira rápidamente, primero intentará girar con los brazos abiertos y luego retraerá las manos (la inercia se vuelve más pequeña, lo que aumenta la velocidad angular), la velocidad de rotación será más rápida cuando quieras detener la rotación, extiende; sus brazos tanto como sea posible (aumente la inercia). En teoría, una vez que la persona que está parada en el plato giratorio comienza a girar, no debería detenerse, pero debido a la fricción y la sacudida de la persona, eventualmente se detendrá.
En el experimento de conservación del momento angular, si sostienes una mancuerna en cada mano para aumentar el peso, el cambio en la distribución de la masa será mucho mayor cuando retires la mano que cuando operas con las manos desnudas. cambia mucho, el cambio en la velocidad de rotación es más obvio.
Parte 2: Principio del giroscopio
Durante la operación, lo encontrará cuando se pare sobre el plato giratorio y tenga el volante en la mano. gira rápidamente, si inclina el eje de la rueda con fuerza, el plato giratorio también girará. Esto se debe a que cuando cambia con fuerza la dirección de la rueda, la inercia también reacciona sobre usted, lo que hace que el plato giratorio comience a girar. También el fenómeno de conservación del momento angular. Cuando un objeto con masa gira, generará un momento angular. Bajo la premisa, el. El objeto giratorio tiende a mantener la velocidad de rotación original y la dirección del eje de rotación (o velocidad angular). Generalmente usamos los dedos de la mano derecha para expresar la relación entre la dirección de rotación y la dirección del momento angular. gesto hacia arriba, la dirección de los cuatro dedos de la palma representa la dirección de rotación, y la dirección del pulgar representa la dirección del momento angular (Figura 1).
Si la rueda gira de adentro hacia afuera. Como se muestra en la Figura 2., el pulgar derecho, que representa la dirección del momento angular, apuntará hacia la izquierda del demostrador. Cuando se levanta el eje y se baja la mano derecha, sentiremos una resistencia al plato giratorio. se debe a que no hay movimiento hacia arriba o hacia abajo en el estado original (momento angular en la dirección vertical), cuando el pulgar derecho gira hacia arriba en el eje vertical (Figura 3 arriba), aparece el momento angular hacia arriba para mantener el movimiento angular vertical; impulso en cero, la plataforma giratoria gira en la dirección opuesta para generar un momento angular hacia abajo para compensarlo (Figura 3 a continuación). Entonces, cuando el eje está en posición vertical, encontraremos que la rueda gira en la dirección opuesta a la plataforma giratoria bajo nuestros pies.
Según la afirmación anterior, podemos decir que el plato giratorio gira bajo nuestros pies, porque la rueda tiene que mantener su momento angular original. Por lo tanto, el plato giratorio gira en diferentes direcciones cuando el eje de la rueda se inclina hacia adentro. diferentes direcciones. Pida a los estudiantes que intenten la actividad a continuación nuevamente.
¿Cómo girará el tocadiscos si la mano derecha está erguida?
¿Cómo giraría el plato giratorio si se repitiera la misma acción sin que la rueda girara en absoluto?
Si la rueda gira inicialmente de afuera hacia adentro, ¿en qué dirección debe apuntar el pulgar (la dirección del momento angular de la rueda)? ¿Cómo gira el tocadiscos cuando la mano derecha está en posición vertical? ¿Dónde está la mano izquierda?
Si las velocidades son las mismas, pero los tamaños de las ruedas son diferentes, y cuanto más grande es la rueda, mayor es el momento de inercia, ¿qué rueda requerirá más esfuerzo para inclinarse? ¿Cuál será más fácil?
Teóricamente, la velocidad a la que gira la rueda y el ángulo con el que inclinamos el eje de la rueda afectarán a la velocidad a la que gira el plato giratorio. ¿Pueden los estudiantes sentirlo durante la operación?
Al estar de pie en el suelo y repetir la actividad anterior, aunque no hay plataforma giratoria bajo los pies y la persona no puede girar, la resistencia aún se puede sentir claramente en las manos. Además, cuando las velocidades de las ruedas son diferentes, la fuerza necesaria para inclinar el eje también es diferente. Cuanto más rápido gira un objeto, mayor es su momento angular y mayor es la fuerza necesaria para cambiar de dirección. Cuando un objeto gira tan rápido que es difícil cambiar la dirección de su eje de rotación, su eje de rotación apuntará de manera estable en una dirección fija y podemos usar su estabilidad como base para la orientación.
Parte 3: Desafío
Debido a que el momento angular se conserva, podemos usar la rotación para aumentar la estabilidad de los objetos. Por ejemplo, podemos usar la rotación de alta velocidad para estabilizar algunos objetos voladores. que no pueden tener colas (como las balas) para hacer más estables sus trayectorias de vuelo. Otro ejemplo es el uso de rotación a baja velocidad para obtener varias trayectorias de lanzamiento ideales (como tiros de baloncesto, pelotas de béisbol que cambian de color, frisbees, etc.).
[Nota 1]. Las balas son muy pequeñas y se disparan desde un cañón que no puede equiparse con una aleta caudal, por lo que las balas se disparan de forma giratoria.
[Nota 2]. El diseño de rotación de la bala no solo estabiliza la trayectoria de vuelo, sino que también garantiza que la ojiva entre en contacto con el objetivo primero, lo que reduce en gran medida la probabilidad de que la bala rebote (rebote) debido a que la bala no penetra el objetivo.
Las bicicletas también utilizan la característica de las ruedas giratorias para mantener la dirección original del eje para aumentar la estabilidad y mantener el equilibrio. Mientras las ruedas de una bicicleta sigan girando, es más fácil mantener el equilibrio. En teoría, cuanto más rápido giren, más estables serán. Pero cuando la bicicleta es más rápida, el movimiento de los pies y la resistencia del aire (resistencia del viento) también afectarán el equilibrio, por lo que es difícil para nosotros sentir el fenómeno de ser más rápido y estable en la vida diaria. Cuanto más lento es el andar en bicicleta, más estable se vuelve. Dificultad para mantener el equilibrio.
En los circos o en las actuaciones de acrobacias, vemos que el monociclo está casi parado o moviéndose a una velocidad muy lenta, lo que poco tiene que ver con el giro de las ruedas. La razón principal es que el operador se mueve ligeramente para mantener el equilibrio en un corto período de tiempo, lo cual se acerca más a la forma en que la gente común gira sus cuerpos para mantener el equilibrio después de estar de pie sobre un pie durante un período de tiempo. Por lo tanto, los monociclos son más adecuados para este tipo de desempeño que las bicicletas porque son fáciles de girar y torcer. Puedes dar fe de esto si recuerdas andar en bicicleta a una velocidad muy lenta e instintivamente girar el volante de la bicicleta de lado a lado, torciendo tu cuerpo, tratando de mantener el equilibrio antes de caerte.
Un giroscopio es básicamente un instrumento direccional fabricado aprovechando el hecho de que cuando un objeto gira a alta velocidad, el momento angular es muy grande y el eje de rotación siempre apuntará de manera estable en una dirección. Pero debe girar lo suficientemente rápido o la inercia es lo suficientemente grande (es decir, el momento angular es lo suficientemente grande). De lo contrario, incluso una pequeña cantidad de par afectará seriamente su estabilidad. Al igual que en la actividad de la página 4, podemos cambiar fácilmente la dirección del eje de rotación. Por lo tanto, los giroscopios instalados en aviones y misiles dependen de la energía proporcionada internamente para mantener una rotación de alta velocidad.
Los giroscopios suelen instalarse en vehículos o vehículos, como aviones, naves espaciales, misiles, satélites, submarinos, etc. , puede determinar la dirección este-oeste, norte-sur. Es la base principal para determinar la orientación en la aviación, la navegación y los sistemas de navegación aeroespacial. Esto se debe a que el eje de rotación del giroscopio apunta de manera estable en una dirección fija bajo rotación de alta velocidad. Comparando esta dirección con el eje de la aeronave, se puede determinar con precisión la orientación correcta de la aeronave. La brújula no puede reemplazar al giroscopio, porque la brújula solo puede determinar la dirección del avión, por otro lado, el giroscopio es más conveniente y confiable que la brújula tradicional, porque la brújula tradicional está orientada por el campo magnético de la Tierra, por lo que se verán afectados por la distribución de minerales, como por ejemplo el fuselaje de los aviones o el material que contiene hierro en el casco, por otro lado, el Polo Norte geográfico y el Polo Norte magnético tendrán una gran desviación en los polos, por lo que los giroscopios y Los sistemas de navegación por satélite se utilizan actualmente como principales instrumentos de orientación en la aviación y la navegación.