1. 引 言
自 17 世紀(jì) 80 年代牛頓開(kāi)創(chuàng)經(jīng)典力學(xué)以來(lái)，動(dòng)量便被賦予了新的定義，即動(dòng)量是與物體的質(zhì)量和速度相關(guān)的物理量。動(dòng)量定理廣泛適用于自然界中，動(dòng)量系統(tǒng)亦廣泛應(yīng)用于人類(lèi)社會(huì)中，很多重大發(fā)明、創(chuàng)造都與動(dòng)量系統(tǒng)息息相關(guān)。陀螺儀作為角動(dòng)量系統(tǒng)( 動(dòng)量矩系統(tǒng)) 的典型代表，于 20 世紀(jì)初出現(xiàn)在動(dòng)量應(yīng)用行業(yè)的尖端領(lǐng)域。時(shí)至今日，隨著科技前沿的不斷拓展，動(dòng)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也隨之不斷迭代，各種動(dòng)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型早已包羅萬(wàn)象。本文結(jié)合動(dòng)量系統(tǒng)與角動(dòng)量系統(tǒng)的常規(guī)結(jié)構(gòu)，提出一種復(fù)合式動(dòng)量系統(tǒng)，并在此系統(tǒng)基礎(chǔ)上構(gòu)建一個(gè)特定的結(jié)構(gòu)模型，分析研究該模型在零重力環(huán)境下的動(dòng)量特性。
2 .動(dòng)量系統(tǒng)、角動(dòng)量系統(tǒng)及復(fù)合式動(dòng)量系統(tǒng)
2.1動(dòng)量系統(tǒng)
動(dòng)量又稱(chēng)線性動(dòng)量。在經(jīng)典力學(xué)中，動(dòng)量表示為物體的質(zhì)量和速度的乘積，是與物體的質(zhì)量和速度相關(guān)的物理量，指的是運(yùn)動(dòng)物體的作用效果。動(dòng)量是矢量，其方向與速度的方向相同。動(dòng)量系統(tǒng)即相互間有作用力的物體系，且該物體系的運(yùn)作機(jī)理遵循動(dòng)量守恒定律。
2.2 角動(dòng)量系統(tǒng)
在物理學(xué)中，角動(dòng)量是與物體到原點(diǎn)的位移和動(dòng)量相關(guān)的物理量。在經(jīng)典力學(xué)中可被定義為物體到原點(diǎn)的位移和其動(dòng)量的叉積，反映不受外力作用或所受諸外力對(duì)某定點(diǎn)的合力矩始終等于零的質(zhì)點(diǎn)和質(zhì)點(diǎn)系圍繞該點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的普遍規(guī)律。角動(dòng)量系統(tǒng)即相互間存在特定力學(xué)關(guān)系的物體系，其中質(zhì)點(diǎn)對(duì)固定點(diǎn)的角動(dòng)量對(duì)時(shí)間的微商等于作用于該質(zhì)點(diǎn)上的力對(duì)該點(diǎn)的力矩，且該物體系的運(yùn)作機(jī)理遵循角動(dòng)量守恒定律。
2.3復(fù)合式動(dòng)量系統(tǒng)
所謂復(fù)合式動(dòng)量系統(tǒng)即其結(jié)構(gòu)形式為常規(guī)動(dòng)量系統(tǒng)與角動(dòng)量系統(tǒng)相結(jié)合，其動(dòng)量特性為兩種系統(tǒng)動(dòng)量特性相復(fù)合的動(dòng)量系統(tǒng)，亦可稱(chēng)之為多體系動(dòng)量系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，通過(guò)常規(guī)動(dòng)量系統(tǒng)和角動(dòng)量系統(tǒng)特定的連接結(jié)構(gòu)及運(yùn)轉(zhuǎn)方式，可達(dá)到動(dòng)量與角動(dòng)量之間相互轉(zhuǎn)化的效果，進(jìn)而合成復(fù)合式動(dòng)量系統(tǒng)特有的復(fù)合動(dòng)量，其動(dòng)量特性即為復(fù)合式動(dòng)量特性。
2.4陀螺儀及其特性
對(duì)繞一個(gè)支點(diǎn)高速轉(zhuǎn)動(dòng)的剛體稱(chēng)為陀螺或陀螺儀。通常所說(shuō)的陀螺是特指對(duì)稱(chēng)陀螺，它是一個(gè)質(zhì)量均勻分布的、具有軸對(duì)稱(chēng)形狀的剛體，其幾何對(duì)稱(chēng)軸就是它的自轉(zhuǎn)軸。在一定的初始條件和一定的外在力矩作用下，陀螺會(huì)在不停自轉(zhuǎn)的同時(shí)，環(huán)繞著另一個(gè)固定的轉(zhuǎn)軸不停地旋轉(zhuǎn)，這就是陀螺的旋進(jìn)，又稱(chēng)為回轉(zhuǎn)效應(yīng)。陀螺儀的力學(xué)特性主要有以下兩點(diǎn)。
（1）陀螺儀的定軸性
當(dāng)陀螺轉(zhuǎn)子以高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，在沒(méi)有任何外力矩作用在陀螺儀上時(shí)，陀螺儀的自轉(zhuǎn)軸在慣性空間中的指向保持穩(wěn)定不變，即指向一個(gè)固定的方向; 同時(shí)反抗任何改變轉(zhuǎn)子軸向的力量。這種物理現(xiàn)象稱(chēng)為陀螺儀的定軸性或穩(wěn)定性。
( 2) 陀螺儀的進(jìn)動(dòng)性
當(dāng)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，若外力矩作用于外環(huán)軸，陀螺儀將繞內(nèi)環(huán)軸轉(zhuǎn)動(dòng); 若外力矩作用于內(nèi)環(huán)軸，陀螺儀將繞外環(huán)軸轉(zhuǎn)動(dòng)。其轉(zhuǎn)動(dòng)角速度方向與外力矩作用方向互相垂直。這種特性叫做陀螺儀的進(jìn)動(dòng)性。 |
