刚体陀螺实验装置结构
从力学的观点近似的分析陀螺的运动时，可以把它看成是一个刚体，刚体上有一个万向支点，
而陀螺可以绕着这个支点作三个自由度的转动，所以陀螺的运动是属于刚体绕一个定点的转动运
动。更确切地说，一个绕对称轴高速旋转的飞轮转子叫陀螺。将陀螺安装在框架装置上，使陀螺
的自转轴有角转动的自由度，这种装置的总体叫做陀螺仪。
图1 陀螺仪结构
刚体陀螺实验装置的基本部件有：
1) 陀螺转子(常采用同步电机、磁滞电机、三相交流电机等拖动方法来使陀螺转子绕自转轴
高速旋转，并见其转速近似为常值)；
2)
内、外框架(或称内、外环，它是使陀螺自转轴获得所需角转动自由度的结构)；
3)
附件(是指力矩马达、信号传感器、控制器等)。
4 陀螺仪工作原理
陀螺仪，是一个圆形的中轴的结合体。而事实上，静止与运动的陀螺仪本身并无区别，如果
静止的陀螺仪本身绝对平衡的话，抛除外在因素陀螺仪是可以不依靠旋转便能立定的。而如果陀
螺仪本身尺寸不平衡的话，在静止下就会造成陀螺仪模型倾斜跌倒，因此不均衡的陀螺仪必然依
靠旋转来维持平衡。刚体陀螺实验系统 GT300-3DT-ED
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刚体陀螺实验装置本身与引力有关，因为引力的影响，不均衡的陀螺仪，重的一端将向下运行，而轻的
一端向上。在引力场中，重物下降的速度是需要时间的，物体坠落的速度远远慢于陀螺仪本身旋
转的速度时，将导致陀螺仪偏重点，在旋转中不断的改变陀螺仪自身的平衡，并形成一个向上旋
转的速度方向。当然，如果陀螺仪偏重点太大，陀螺仪自身的左右互作用力也将失效！。
而在旋转中，陀螺仪如果遇到外力导致，陀螺仪转轮某点受力。陀螺仪会立刻倾斜，而陀螺
仪受力点的势能如果低于陀螺仪旋转时速，这时受力点，会因为陀螺仪倾斜，在旋转的推动下，
陀螺仪受力点将从斜下角，滑向斜上角。而在向斜上角运行时，陀螺仪受力点的势能还在向下运
行。这就导致陀螺仪到达斜上角时，受力点的剩余势能将会将在位于斜上角时，势能向下推动。
而与受力点相反的直径另一端，同样具备了相应的势能，这个势能与受力点运动方向相反，
受力点向下，而它向上，且管这个点叫“联动受力点”。当联动受力点旋转180度，从斜上角到达
斜下角，这时联动受力点，将陀螺仪向上拉动。在受力点与联动受力互作用力下，陀螺仪回归平
衡。
5 实验原理
陀螺仪被用在飞机飞行仪表的心脏地位，是由于它的两个基本特性：一为定轴性（inertia or
rigidity），另一是进动性（precession），这两种特性都是建立在角动量守恒的原则下。
5.1 定轴性
当三自由度陀螺转子高速旋转后，若不受外力矩的作用，不管基座如何转动，支撑在万向支
架上的 陀螺仪自转轴指向惯性空间的方位不变，这种特性叫“定轴性”。如果我们以地球为基准，
则可以认为三自由度陀螺相对于地球运动，这种运动称为陀螺的假视运动或视在运动。视在运动
是陀螺稳定性的表现。
其惯性随以下的物理量而改变：
1）转子质量愈大，转动惯量I愈大；
2）转子旋转半径愈大，转动惯量I愈大；
3）转子旋转速度愈高，转动惯量I愈大；
5.2 进动性刚体陀螺实验系统 GT300-3DT-ED
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在运转中的陀螺仪，如果外界施一作用或力矩在转子旋转轴上，则旋转轴并不沿施力方向运
动，而是顺着转子旋转向前90度垂直施力方向运动，此现象即是进动性。
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