Файл: Новая геодезическая техника и ее применение в строительстве учеб. пособие.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 10.04.2024
Просмотров: 125
Скачиваний: 0
цесс наблюдений был бы слишком длителен. Поэтому способ ориентирования с помощью свободного гироскопа применяется для геодезических целей лишь в тех случаях, когда требуется сохранение точной ориентировки в течение короткого промежут ка времени или же к ориентировке предъявляются пониженные требования (топографический привязчик) и имеется возможность периодически определять поправку за прецессию гироскопа.
Прецессия гироскопа под действием внешних сил. Рассмотрим вопрос в таком виде: какие боковые усилия нужно приложить к оси гироскопа, чтобы вызвать отклонение ее от первоначального направления? Пусть ротору ABCD (рис. I I I , 3, а) сообщено быст
рое вращательное движение вокруг оси хх', |
расположенной го |
ризонтально. Все точки окружности ротора |
имеют одинаковые |
скорости v, направленные по касательным. Пусть АС и BD диа метры ротора, пересекающиеся под прямым углом, причем диа метр АС расположен в горизонтальной плоскости. Предположим,
что за малый промежуток времени At направление |
оси рото |
|||||||||
ра хх' было изменено на |
небольшой |
угол |
а |
в |
горизонтальной |
|||||
плоскости. Новое положение |
оси |
ротора |
обозначим Х\Х\. При |
|||||||
этом плоскость ротора повернулась |
вокруг |
оси zz |
на угол а и |
|||||||
заняла положение |
AX,BCXD. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Из чертежа, приведенного на рис. III.3,а видно, что направле |
||||||||||
ния векторов скорости в точках А, А\, С и Сх |
остались |
неизменны |
||||||||
ми. В точках же В и D вектор скорости изменил направление на |
||||||||||
угол а. Найдем по правилу параллелограмма |
направление векто |
|||||||||
ра скорости vx той силы, |
которая |
заставила |
ротор |
повернуться |
||||||
на угол а. Для этого нужно |
на векторе vx, |
|
как на |
диагонали, |
||||||
построить параллелограмм сил (рис. 111.3,6"). |
|
скорости v к |
||||||||
Как видно из рис. 111,3, 6, переход |
от вектора |
|||||||||
вектору Vi равносилен появлению в точке В новой |
составляющей |
|||||||||
vx, которая, складываясь |
с вектором v, дает |
новое значение ско |
||||||||
рости V\. Ввиду пердполагаемой малости угла а можно считать, |
||||||||||
что направление |
вектора |
vx |
приблизительно |
перпендикулярно |
||||||
к плоскости ABCD |
ротора, или приблизительно параллельно оси |
вращения ротора. Такая же по величине, но обратная по направ
лению составляющая |
скорости |
появится в точке D. В промежу |
|
точных точках вектор |
vx будет |
иметь промежуточное значение. |
|
Перейдем от изменения направления скорости к действию сил. |
|||
В соответствии со вторым законом Ньютона |
сила F |
||
|
F = m{vxIAt), |
(III.1) |
|
где т — масса ротора; At — время действия |
силы. |
Предположим, что вся масса ротора сосредоточена на его обо де, а сам обод бесконечно тонок. Тогда, разбивая обод на элемен тарные участки, получим, что в точках В и D приложены одина ковые по величине, но обратные по знаку силы (рис. Ш.З.е). В точках А и С силы равны нулю. В промежуточных точках силы имеют промежуточное значение.
100
Всё силы, приложенные в точках полуокружности, можно представить в виде равнодействующей F, направленной приблизи тельно параллельно оси ротора. Таким образом, будем иметь две равнодействующие FB и FD, равные по величине и направлен ные в противоположные стороны, образующие пару сил с момен том силы
Мв = Fa, ' |
(III.2) |
где а — расстояние В0 D0. |
ротор в вертикальной |
Эта пара сил стремится повернуть |
плоскости (плоскости чертежа) вправо по ходу часовой стрелки. Эффект действия не изменится, если силы, образующие пару, приложить непосредственно на оси ротора хх'. Значения F и а мо гут быть произвольными, важно лишь, чтобы момент пары оста
вался неизменным |
(рис. Ш.З.г) |
|
|
|
|
|||
|
|
|
MB |
= Fa = |
F1EE1. |
|
|
|
Величина Мв называется моментом внешней |
силы. |
|
||||||
Таким образом, для прецессии оси ротора гироскопа в гори |
||||||||
зонтальной |
плоскости нужно приложить к оси гироскопа пару |
|||||||
сил в вертикальной |
плоскости. |
|
|
|
|
|||
Правила |
прецессии |
можно |
сформулировать в следую |
|||||
щем |
виде: |
|
|
|
|
|
|
|
1. Под действием силы F, приложенной перпендикулярно |
к |
|||||||
оси |
гироскопа, ось прецессирует |
в плоскости, перпендикулярной |
||||||
к |
направлению |
силы; |
угловая |
скорость |
прецессии |
соп |
||
(см. рис. Ш.З.г) |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
<on = Fa/(№)='MB/L, |
|
(III.3) |
где J — момент инерции ротора; Q — угловая скорость вращения ротора; L = JQ — гироскопический момент.
2.Для определения направления прецессии нужно вектор направления силы повернуть на 90° (см. рис. Ш.З.г) в направле нии вращения ротора.
3.Величина угла а отклонения оси гироскопа определяется из соотношения
а = wnAt |
(Ш.4) |
где At— время прецессии. |
|
Маятниковый гироскоп. Для осуществления |
гироскопического |
теодолита в-настоящее время чаще всего используют трехстепен ной гироскоп, у которого движение по оси уу ограничивается при менением маятникового груза Q (рис. Ш.4).
Пусть груз Q соединен каким-либо образом с внутренней рам кой гироскопа так,ч что всегда приводит ось хх' в горизонтальное положение. Если отклонить рамку карданного подвеса от плос кости горизонта, в которой она находится в положении равнове сия, то при отсутствии вращения ротора рамка будет совершать
101
z
Рис. 111.4. Принципи альная схема маятни кового гироскопа
о)
Рис. III.5. |
Положение |
|||
оси |
маятникового |
гиро |
||
скопа, |
установленного |
|||
|
на |
Земле |
|
|
а — положение |
оси |
гироско |
||
па в |
начальный |
момент: б — |
||
положение |
оси |
гироскопа |
||
через |
промежуток |
времени |
колебательные движения вокруг оси уу по закону обычного маятника. На этом основании такой гироскоп называют ма ятниковым.
Рассмотрим |
поведение |
маятникового |
||||
гироскопа, |
установленного |
на Земле |
в |
|||
точке |
А. Пусть |
в |
момент |
времени |
t |
|
(рис. |
I I I , 5, |
а) |
ось |
хх' гироскопа распо |
лагается горизонтально в направлении с востока В на запад 3, а ротор раскручен в направлении хода часовой стрелки (ес ли смотреть на него с южного конца х' оси). Вследствие вращения Земли, через
бесконечно малый |
промежуток |
времени |
|
At (рис. I I I . 5, б), |
восточная |
часть плос |
|
кости горизонта |
наклонится |
на |
угол в |
и маятник выйдет из состояния равнове сия. Под действием груза Q ось гироско па будет вынужденно наклоняться, стре мясь к горизонтальному положению. Воз никнет постоянно действующий момент внешней силы, так называемый маятни ковый момент, равный
|
М = Q'a, |
(III.5) |
где |
Q' — равнодействующая |
силы тяжес |
ти |
груза Q и ротора; |
|
а — расстояние от оси ротора деточки приложения равнодействующей.
Маятниковый момент эквивалентен приложению к оси ротора пары сил F в вертикальной плоскости. По правилу пре цессии под действием внешних сил и ги роскопического момента ось гироскопа начнет прецессировать в горизонтальном направлении. В нашем случае северный конец оси х с ускоряющимся движением начнет приближаться к северной части меридиана точки наблюдений. Наиболь шая скорость прецессии будет иметь мес то при совпадении оси с плоскостью ме ридиана.
Вследствие инерции всей системы ось гироскопа пройдет плоскость меридиана. Теперь в восточной части горизонта ока жется северный конец оси х, который по мере вращения Земли будет вынужденно наклоняться под действием груза Q, стре мясь к горизонтальному положению. Воз-
102
никнет момент сил противоположного действия, тормозящий инерционное движение оси. Движение оси прекратится, когда момент количества движения прибора, обусловленный его инер ционным движением, окажется равным направляющему моменту, обусловленному вращением ротора и маятниковым моментом. Так как направляющий момент будет возрастать, вследствие не прерывного вращения Земли, то начнется прецессия с возрастаю щей скоростью конца оси х в обратном направлении, т. е. к. пло скости меридиана. Таким образом, ось гироскопа будет совер шать периодические колебания относительно положения равно весия, совпадающего с плоскостью меридиана.
Для определения направления меридиана нужно укрепить на
основании (Земле) горизонтальный круг |
(см. рис. Ш.4), а на |
одном из концов оси гироскопа — индекс, |
с помощью которого |
можно взять отсчеты в точках реверсии* — при крайнем восточ ном п\ и крайнем западном п2 положении оси. Среднее из этих отсчетов будет соответствовать положению равновесия, совпадаю
щему с направлением |
меридиана точки |
наблюдений, т. е. соот |
|||
ветствовать «месту севера» (МС) на горизонтальном круге. |
|||||
Величина внешнего момента Мв, угловой скорости шп прецес |
|||||
сии и периода колебаний Т определяется |
соотношениями |
||||
|
Мв |
= Q'a s i n |
6; |
|
(III.6) |
|
ш п = |
{MIL) s i n |
6; |
|
(III.7) |
Т = 2тс У ЩМш cos |
с р ) , |
(III.8) |
|||
где в — угол наклона |
оси гироскопа; |
© — угловая |
скорость вра |
||
щения Земли; ф — широта точки наблюдений. |
|
§ III. |
2. Суточное вращение |
Земли |
и определение |
«ч. полезной составляющей |
этого |
вращения |
|
Пусть наблюдатель находится в точке О (рис. III.6). Ось ро |
|||
тора хх' |
и ось уу взаимно перпендикулярны |
и расположены в го |
ризонтальной плоскости. Вследствие суточного вращения Земли с угловой скоростью со плоскость горизонта СВЮЗ точки наблюде ний О в мировом пространстве совершает вращательное движе ние, которое можно разложить на два: вращение с угловой ско ростью сов плоскости горизонта вокруг отвесной линии OZ в точ ке О и вращение с угловой скоростью сом плоскости горизонта вокруг истинного меридиана точки О. Составляющую сом можно разложить, в свою очередь, на две: по оси вращения ротора
ипо оси вращения уу — соу.
*Точкой реверсии называется точка начала обратного движения оси.
103
ч
Раскроем физический смысл этих составляющих. Составляю
щая coB = a>sin(p называется |
вертикальной |
составляющей |
|
угловой |
||||||||||
скорости |
вращения |
|
Земли. |
Она показывает угловую |
скорость |
|||||||||
вращения плоскости |
горизонта |
вокруг |
отвесной |
линии |
в точке |
|||||||||
наблюдений. Наблюдателем |
она воспринимается |
как изменение |
||||||||||||
азимута |
небесных |
светил. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Составляющая |
coM = <»cos<p называется горизонтальной |
|
состав |
|||||||||||
ляющей |
вращения |
Земли. Она |
показывает |
угловую |
скорость |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
вращения |
плоскости горизонта |
|||||||
|
|
|
|
|
|
вокруг меридиана точки О. На |
||||||||
|
|
|
|
|
|
блюдателем, |
находящимся |
в |
||||||
|
|
|
|
|
|
точке |
О, |
горизонтальная |
со |
|||||
|
|
|
|
|
|
ставляющая |
|
воспринимается |
||||||
|
|
|
|
|
|
как |
изменение |
|
высоты |
светил |
||||
|
|
|
|
|
|
над |
горизонтом, |
причем |
таким |
|||||
|
|
|
|
|
|
образом, |
что |
восточная |
часть |
|||||
|
|
|
|
|
|
плоскости |
горизонта |
|
всегда |
|||||
|
|
|
|
|
|
опускается. |
|
|
|
|
|
|||
Рис. III.6. |
Векторное |
изображение |
Составляющая G)X = |
G>COSCPX |
||||||||||
Xcosa показывает угловую ско |
||||||||||||||
сил, возникающих |
при суточном |
вра |
рость вращения |
плоскости |
го |
|||||||||
|
щении |
Земли |
|
ризонта вокруг |
оси хх' |
ротора |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
гироскопа. Она лишь |
незначи |
|||||||
тельно (на один оборот в сутки), в зависимости |
от направления |
вращения ротора, увеличивает или уменьшает угловую скорость его вращения. Составляющая
шу = ш cos ср s i n a (III.9)
показывает угловую скорость вращения плоскости горизонта вокруг оси уу — перпендикулярной оси вращения ротора гиро скопа. Наблюдателем, находящимся в точке О, это движение будет восприниматься как изменение наклона оси хх' гироскопа над плоскостью горизонта, причем таким образом, что конец оси, направленный к востоку — поднимается, к западу — опускается. Величина ау является той составляющей, связанной с вращением Землиг которая позволяет получить направляющий момент Ми и осуществить гироскопический теодолит и поэтому называется полезной составляющей земного вращения. Величина направля ющего момента
Мн = Leo |
= Lw COS ср Si n a. |
(ШЛО) |
Как следует из формулы |
(ШЛО) направляющий |
момент за |
висит от широты места наблюдений. С приближением к полюсам Земли направляющий момент становится равным нулю. Это огра ничивает применение гироскопических теодолитов в высоких широтах.
Траектория конца оси при прецессировании. Пусть в момент пуска гироскопа южный конец х' оси (см. рис. III.5) находился в восточной части горизонта (рис. III.7,a точка / ) . В следующий
104