剛體陀螺實驗裝置結構
從力學的觀點近似的分析陀螺的運動時，可以把它看成是一個剛體，剛體上有一個萬向支點，
而陀螺可以繞著這個支點作三個自由度的轉動，所以陀螺的運動是屬于剛體繞一個定點的轉動運
動。更確切地說，一個繞對稱軸高速旋轉的飛輪轉子叫陀螺。將陀螺安裝在框架裝置上，使陀螺
的自轉軸有角轉動的自由度，這種裝置的總體叫做陀螺儀。
圖1 陀螺儀結構
剛體陀螺實驗裝置的基本部件有：
1) 陀螺轉子(常采用同步電機、磁滯電機、三相交流電機等拖動方法來使陀螺轉子繞自轉軸
高速旋轉，并見其轉速近似為常值)；
2)
內(nèi)、外框架(或稱內(nèi)、外環(huán)，它是使陀螺自轉軸獲得所需角轉動自由度的結構)；
3)
附件(是指力矩馬達、信號傳感器、控制器等)。
4 陀螺儀工作原理
陀螺儀，是一個圓形的中軸的結合體。而事實上，靜止與運動的陀螺儀本身并無區(qū)別，如果
靜止的陀螺儀本身絕對平衡的話，拋除外在因素陀螺儀是可以不依靠旋轉便能立定的。而如果陀
螺儀本身尺寸不平衡的話，在靜止下就會造成陀螺儀模型傾斜跌倒，因此不均衡的陀螺儀必然依
靠旋轉來維持平衡。剛體陀螺實驗系統(tǒng) GT300-3DT-ED
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剛體陀螺實驗裝置本身與引力有關，因為引力的影響，不均衡的陀螺儀，重的一端將向下運行，而輕的
一端向上。在引力場中，重物下降的速度是需要時間的，物體墜落的速度遠遠慢于陀螺儀本身旋
轉的速度時，將導致陀螺儀偏重點，在旋轉中不斷的改變陀螺儀自身的平衡，并形成一個向上旋
轉的速度方向。當然，如果陀螺儀偏重點太大，陀螺儀自身的左右互作用力也將失效！。
而在旋轉中，陀螺儀如果遇到外力導致，陀螺儀轉輪某點受力。陀螺儀會立刻傾斜，而陀螺
儀受力點的勢能如果低于陀螺儀旋轉時速，這時受力點，會因為陀螺儀傾斜，在旋轉的推動下，
陀螺儀受力點將從斜下角，滑向斜上角。而在向斜上角運行時，陀螺儀受力點的勢能還在向下運
行。這就導致陀螺儀到達斜上角時，受力點的剩余勢能將會將在位于斜上角時，勢能向下推動。
而與受力點相反的直徑另一端，同樣具備了相應的勢能，這個勢能與受力點運動方向相反，
受力點向下，而它向上，且管這個點叫“聯(lián)動受力點”。當聯(lián)動受力點旋轉180度，從斜上角到達
斜下角，這時聯(lián)動受力點，將陀螺儀向上拉動。在受力點與聯(lián)動受力互作用力下，陀螺儀回歸平
衡。
5 實驗原理
陀螺儀被用在飛機飛行儀表的心臟地位，是由于它的兩個基本特性：一為定軸性（inertia or
rigidity），另一是進動性（precession），這兩種特性都是建立在角動量守恒的原則下。
5.1 定軸性
當三自由度陀螺轉子高速旋轉后，若不受外力矩的作用，不管基座如何轉動，支撐在萬向支
架上的 陀螺儀自轉軸指向慣性空間的方位不變，這種特性叫“定軸性”。如果我們以地球為基準，
則可以認為三自由度陀螺相對于地球運動，這種運動稱為陀螺的假視運動或視在運動。視在運動
是陀螺穩(wěn)定性的表現(xiàn)。
其慣性隨以下的物理量而改變：
1）轉子質(zhì)量愈大，轉動慣量I愈大；
2）轉子旋轉半徑愈大，轉動慣量I愈大；
3）轉子旋轉速度愈高，轉動慣量I愈大；
5.2 進動性剛體陀螺實驗系統(tǒng) GT300-3DT-ED
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在運轉中的陀螺儀，如果外界施一作用或力矩在轉子旋轉軸上，則旋轉軸并不沿施力方向運
動，而是順著轉子旋轉向前90度垂直施力方向運動，此現(xiàn)象即是進動性。
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