Статья посвящена актуальной проблеме, направленной на исследование гироскопических явлений при помощи устройства с независимой подвеской колес, основанного на физическом воздействии гироскопического момента вращающихся колес на руки обучаемого и визуального наблюдения изменения угловой скорости прецессии.
Ключевые слова: перцептивное обучающее устройство, гироскопический эффект, прецессия.
Многие не задумываются, что может произойти при резком повороте автомобиля в движении − транспортное средство начинает опрокидываться в сторону. В связи с этим, данное перцептивное устройство поможет будущему инженеру и водителю понять суть гироскопического явления вращающихся частей механизмов.
Демонстрационная установка показывает, как ведут себя раскрученные колеса при повороте штатива по часовой стрелке и против часовой стрелки. В ходе проведенных экспериментов рассмотрены возможные варианты возникновения гироскопического эффекта и его влияние на поведение транспортного средства [1, с. 76].
Современный уровень развития техники и вооружения требует знаний в области теоретической механики, чтобы можно было делать однозначные выводы, касающиеся пригодности перцептивного (основанного на воздействии на органы чувств человека) обучающего устройства к использованию.
На представленной демонстрационной установке (рис. 1) используется правило Жуковского [2, с. 6]: «Если гироскопу сообщить вынужденное прецессионное движение, то на подшипники, в котором закреплена ось ротора, начнет действовать гироскопическая пара с моментом 
, стремящаяся наикратчайшим путем установить ось ротора параллельно оси прецессии так, чтобы направления векторов 
и 
совпадали» (рис. 3), что является гироскопическим эффектом.
Предлагаемое устройство [3, с. 1] отличается от перцептивного обучающего устройства [4, с. 3] тем, что используется независимая подвеска колес с шарнирным креплением оси каждого колеса отдельно.
Рис. 1. Устройство для демонстрации гироскопического эффекта
Основной задачей установки является повышение наглядности представления полученных знаний и практических навыков при перцептивном изучении сложных механических явлений в гироскопических системах.
Продольный разрез устройства с независимой подвеской колес изображен на рис. 2, где: 1 — штатив; 2 — шарнирные крепления; 3 — оси вращения; 4 — пара раскрученных рабочих тел; 5 — обод; 6 — спицы; 7 — ступицы; 8 — съемные стопорящие стержни; 9 — разгонные конические зубчатые шестеренки; 10 — динамометр; 11 — разгонный блок; 12 — подшипник.
Рис. 2. Схема устройства с независимой подвеской колес для исследования гироскопических явлений
Правило Жуковского необходимо определить по правилу «буравчика»:
1) направление кинетического момента 
каждого колеса;
2) угловую скорость прецессии штатива 1;
3) угловую скорость оси вращения 
колеса.
Правило «буравчика» (рис. 3) заключается в том, что сначала определяем, куда мы раскручиваем колесо со штативом, и с какой стороны мы будем смотреть на объект. Если раскрученное тело 4 вращается против хода часовой стрелки и при этом будем смотреть на него справой стороны, то движение 
будет направлено к нам, так как мы «выкручиваем» какое-либо тело, например, болт. Если смотреть на штатив сверху, то также аналогичным способом определяется направление вектора 
. Движение 
будет совпадать с направлением вектора , потому что по формуле (1) кинетический момент будет зависеть от угловой скорости оси вращения колеса:
(1)
где 
— момент инерции; 
– угловая скорость оси вращения.
Далее, после того как определили направление кинетического момента и угловую скорость прецессии, затем выявим теоретическим способом, куда двинется раскрученное колесо при повороте штатива в определенную сторону. Это очень просто: 
и 
по наикратчайшему пути стараются совместиться, потому что гироскопический момент 
должен быть равен нулю (это и есть правило Жуковского, которое рассмотрели ранее), и если между двумя векторами значение угла 
будет равно нулю, то 
. Тогда можно сделать вывод, что по формулам (2) и (3) 
:
(2)
(3)
где 
— кинетический момент; 
— угловая скорость; 
– угол между вектором угловой скорости и кинетическим моментом.
Рис. 3. Демонстрация гироскопического эффекта при раскручивании колеса
В данном случае, в соответствии с рис. 3, колесо поднимется вверх, так как необходимо, чтобы угол 
между двумя векторами был равен нулю, и поэтому векторы 
и 
будут стремиться совместиться с вектором 
.
Для познавательного обучения эффектам в гироскопических системах с перцептивным устройством проводятся следующие опыты:
Первый эксперимент. С помощью разгонного блока 11 (рис. 4, а) раскручиваются два рабочих тела 4 от себя (вперед). Обучаемый, удерживая периферийные рукоятки, начинает поворачивать штатив 1 по часовой стрелке. В этом случае левое колесо опускается вниз, а правое колесо поднимается вверх. Вследствие гироскопического эффекта обучаемый прочувствует своим костно-мышечным аппаратом плечевого пояса удвоенное значение всех сил. Угол между вектором 
и 
будет равен нулю при подъеме правого колеса вверх и опускании, соответственно, левого колеса вниз, что подтверждает правило Жуковского.
Второй эксперимент. С помощью разгонного блока 11 (рис. 4, б) также раскручиваем два рабочих тела 4 в ту же сторону. Обучаемый начинает поворачивать штатив 1 против часовой стрелки. В этом случае все действия происходят наоборот: левое колесо поднимается вверх, а правое колесо опускается вниз. Возрастает опрокидывающий момент, принудительная прецессия вызывает возникновение гироскопического момента, который стремится совместить ось собственного вращения с осью прецессии.
Третий эксперимент. С помощью разгонного блока 11 (рис. 4, в) раскручиваем левое колесо от себя (вперед), правое колесо — к себе (назад). Обучаемый начинает поворачивать штатив 1 по часовой стрелке. В этом случае левое и правое колесо вследствие этого начинают опускаться вниз, и опрокидывающий момент взаимно уничтожается.
Четвертый эксперимент.Спомощью разгонного блока 11 (рис. 4, г) раскручиваем левое колесо от себя (вперед), правое колесо — к себе (назад). Обучаемый начинает поворачивать штатив 1 против часовой стрелки. В этом случае левое и правое колесо начинают подниматься вверх, и сумма гороскопического момента (опрокидывающий момент) будет равна нулю.
Рис. 4. Демонстрация гироскопического эффекта: а — первый эксперимент, б — второй эксперимент, в — третий эксперимент, г — четвертый эксперимент
Теоретическая механика является естественной наукой, опирающейся на результаты опыта и наблюдений и использующей математический аппарат при анализе этих результатов. Как во всякой естественной науке, в основе механики лежит опыт, практика, наблюдение. Но наблюдая какое-нибудь явление, мы не можем сразу охватить его во всем многообразии. Поэтому перед исследователем возникает задача выделить в изучаемом явлении главное, определяющее, отвлекаясь (абстрагируясь) от того, что менее существенно, второстепенно [5, с. 8].
С помощью данных экспериментов можно наглядно понять физику гироскопических явлений и использовать перцептивное устройство для подготовки водителей транспортных средств и инженерно-технического состава при эксплуатации военной техники. Анализ гироскопических явлений, наблюдаемых при проведении экспериментов с помощью предлагаемого устройства и программы демонстрации, позволяет прогнозировать поведение автомобиля при резких поворотах, а также других транспортных средств при изменении траектории движения.
Благодаря этому методу обучения возможно повысить безопасность дорожного движения, сократить количество дорожно-транспортных происшествий, избежать смертности из-за аварий, что является необходимым условием поддержания высокой боевой готовности частей и подразделений РВСН.
Основной задачей применения установки является повышение наглядности представления полученных знаний и практических навыков при перцептивном изучении сложных механических явлений в гироскопических системах. Позволяет прогнозировать поведения автомобиля при резких поворотах и изменении покрытия дорожного полотна, а также повышает уровень подготовки водителей транспортных средств [6, с. 153].
При использовании в процессе обучения перцептивного обучающего устройства обучаемый получает определенные знания и практические навыки при изучении сложных механических процессов в гироскопических системах, механизмах трансмиссий, различных приводах машин. В процессе подготовки и обучения водителей транспортных средств изучается поведение автомобиля при резких поворотах или изменении профиля дороги. Помимо этого, накапливается объем мышечной памяти при непосредственном воздействии на костно-мышечный аппарат обучаемого, способствующий пониманию процессов в системах с вращающимися телами [7, с. 69].
В итоге повышается безопасность движения гражданского персонала, при совершении марша ракетных частей и подразделений и эксплуатации военной техники.
Литература:
1. Ромкин В. В., Зайцев В. А. Устройство для демонстрации гироскопического эффекта // Сборник научных статей по материалам VI Международной научно-практической конференции «Академические Жуковские чтения». — Воронеж: ВУНЦ ВВС «ВВА», 2019. — С. 76–81.
2. Белов, Г. П. Теоретическая механика. Практикум к лабораторным работам / Г. П. Белов, И. Д. Артемов, О. М. Омаров. / Под ред. Г. П. Белова. — Серпухов, 2018. — 66 с.
3. Устройство для демонстрации гироскопического эффекта: пат. 175053 Российская Федерация: МПК G09B 23/06 / В. В. Ромкин, В. А. Зайцев, М. А. Гребенников, А. Ю. Нелин; заявитель и патентообладатель ФГКВОУ ВО «Военная академия Ракетных войск стратегического назначения имени Петра Великого» МО РФ. — № 2017105310; заявл. 17.02.17; опубл. 16.11.17, Бюл. № 32. — 6 с.
4. Зайцев, В. А. Исследование гироскопического явления с использованием перцептивного обучающего устройства / В. А. Зайцев, М. А. Гребенников, А. Ю. Нелин [и др.] — Серпухов: филиал ВА РВСН им. Петра Великого, 2016. — 20 с. — Деп. в ФГБУ «46 ЦНИИ» МО РФ ЦВНИ (ЦСИФ МО РФ) 27.12.2016, № 19157.
5. Бутенин Н. В., Лунц Я. Л., Меркин Д. Р. Курс теоретической механики. — 3-е изд. — М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1979. — 272 с.
6. Ромкин В. В., Зайцев В. А., Павлюченко А. В. Показ гироскопического эффекта с помощью перцептивного устройства // Материалы IV Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы современного инженерного образования». — Омск: ОАБИИ, 2018. — С. 153–159.
7. Ромкин В. В., Зайцев В. А. Исследование гироскопического эффекта с использованием перцептивного обучающего устройства // Сборник научных статей «VIII Международная научно-практическая конференция молодых ученых, посвященная 57-й годовщине полета Ю. А. Гагарина в космос». — Краснодар: Издательский Дом — Юг, 2018. — С. 69–73.
8. Ромкин, В. В. Устройство с независимой подвеской колес для исследования гироскопических явлений / В. В. Ромкин, М. А. Гребенников, В. А. Зайцев. — Серпухов: филиал ВА РВСН им. Петра Великого, 2018. — 27 с. — Деп. в ФГБУ «46 ЦНИИ» МО РФ ЦВНИ (ЦСИФ МО РФ) 18.06.2018, № 19550.
9. Ромкин В. В., Зайцев В. А. Устройство с рабочими телами для исследования гироскопического эффекта // Сборник научных статей XII Международная научно-практическая конференция учащихся и студентов «Молодежь и инноватика». — Серпухов: Комитет по образованию Администрации г. о. Серпухов, 2019. — С. 440–444.
10. Ромкин В. В., Зайцев В. А. Демонстрационная установка для исследования гироскопических явлений // Сборник научных статей XXХVII Всероссийская НТК ФВА РВСН «Проблемы эффективности и безопасности функционирования сложных технических и информационных систем». — Серпухов: ФВА РВСН имени Петра Великого, 2018. — С. 24–29.
