Гироскопический успокоитель качки на судах

[EUgeneUS]

Emergency в сообщении #1507171 писал(а):

Разница между осями лишь в потребляемой мощности и требований к жесткости корпуса судна.

Разница в том, что обсуждаемая конструкция позволяет гироскопу вращаться вокруг поперечной оси, а вокруг продольной не позволяет.

[Emergency]

realeugene в сообщении #1507172 писал(а):

Можете поразмышлять над тем, если это работа ненулевая, куда она девается, и почему гироскоп не отдаёт энергию при повороте оси в обратную сторону?

Работу при гашении волн совершает не гироскоп, а гидроцилиндры с одной стороны и волна с другой. Эта работа тратится на нагрев забортной воды (в проводах приводов расходуется много меньше).

-- 01.03.2021, 18:18 --

EUgeneUS в сообщении #1507173 писал(а):

Emergency в сообщении #1507171 писал(а):

Разница между осями лишь в потребляемой мощности и требований к жесткости корпуса судна.

Разница в том, что обсуждаемая конструкция позволяет гироскопу вращаться вокруг поперечной оси, а вокруг продольной не позволяет.

А откуда гироскоп знает какая ось продольная и какая поперечная?

-- 01.03.2021, 18:20 --



-- 01.03.2021, 18:22 --

Отсюда исключаем продольную качку, поперечную, вертикальную и рысканье. А компенсируем, как я уже писал бортовую и килевую.

-- 01.03.2021, 18:25 --

видео гироскопа (10 минут)

[realeugene]

Emergency в сообщении #1507176 писал(а):

Работу при гашении волн совершает не гироскоп, а гидроцилиндры с одной стороны и волна с другой.

В пределе полностью устранённой качки не совершают. Гидроцилиндры создают давление, но их штоки не перемещаются, если корабль не качается. На самом деле, корабль немного качается из-за несовершенства системы управления гидроцилиндрами, поэтому, гидроцилиндры совершают работу. Но эта работа не связана с поворотом оси гироскопа.

[Emergency]

realeugene в сообщении #1507183 писал(а):

Гидроцилиндры создают давление, но их штоки не перемещаются, если корабль не качается.

Мы друг друга не понимаем. Корабль не качается на волнах в том случае если гироскоп качается на перемещающихся штоках гидроцилиндров.
Если гироскоп просто закреплен в корпусе корабля, то он не может полностью компенсировать качку, так как работает как пропорциональных регулятор (остается пропорциональная воздействию ошибка регулирования). Для полной компенсации эту ошибку требуется устранять путем качания гироскопа гидроцилиндрами, которые выполняют работу, наклоняя гироскоп навстречу волне.
На малой волне гидроцилиндры отключаются и не создают давление.

[realeugene]

Emergency в сообщении #1507239 писал(а):

Корабль не качается на волнах в том случае если гироскоп качается на перемещающихся штоках гидроцилиндров.

При компенсации боковой качки гироскоп качается вокруг оси килевой качки. Его ось наклоняется от вертикали вперёд и назад, а не влево и вправо. Соответствующая пара гидроцилиндров должна отработать этот поворот оси гироскопа не создавая момента вокруг оси килевой качки.

[Emergency]

realeugene в сообщении #1507240 писал(а):

При компенсации боковой качки

Давайте будем называть качку терминами как на рисунке. Иначе взаимопонимания не достичь.

realeugene в сообщении #1507240 писал(а):

Его ось наклоняется от вертикали вперёд и назад, а не влево и вправо. Соответствующая пара гидроцилиндров должна отработать этот поворот оси гироскопа не создавая момента вокруг оси килевой качки.

Оси, соответствующие названиям качки на рисунке тоже есть. Ось, которая отвечает за килевую качку расположена поперек корабля, а ось, которая отвечает за бортовую качку, направлена вдоль.

И я не понимаю какое отношение направление осей имеет к работе, совершаемой гидроцилиндрами.

[realeugene]

Emergency в сообщении #1507253 писал(а):

И я не понимаю какое отношение направление осей имеет к работе, совершаемой гидроцилиндрами.

Emergency в сообщении #1507157 писал(а):

Чтобы повернуть ось на угол $\varphi$, к ней надо приложить момент $M$
$A=M\varphi$

В правой части у вас скалярное произведение двух векторов: момента прилагаемых к гироскопу сил и угла поворода при прецессии его оси. Эти вектора направлены вдоль ортогональных осей.

[sergey zhukov]

Vladimir-80 в сообщении #1507008 писал(а):

Правильно работая кистью, диск этот можно раскрутить.

Да, точно. У меня тоже была такая игрушка. Глядя на нее я и начал задумываться, как она работает.

Гироскоп часто рассматривается приближенно (прецессионная теория гироскопа), когда считается, что вектор его угловой скорости всегда направлен в точности вдоль его оси, даже когда сама эта ось медленно поворачивается при прецессии (угловой скоростью ее поворота пренебрегают). Над таким упрощенным гироскопом действительно невозможно совершить работу, как его ни поворачивай. Момент сил (который направлен всегда перпендикулярно оси) всегда в точности перпендикулярен вектору угловой скорости (который всегда направлен строго вдоль оси).

Это хорошее приближение. Но в его рамках обьяснить работу кистевого тренажера, про который упоминалось выше, совершенно невозможно.

Если же учитывать вклад в угловую скорость гироскопа от его прецессионного вращения, то вектор угловой скорости гироскопа не направлен строго вдоль оси. А момент внешних сил по прежнему строго перпендикулярен оси. В итоге этот момент на самом деле совершает над гироскопом некоторую работу.

На реальных гироскопах хорошо видно, что при надавливании на кольцо карданового подвеса вращающегося гироскопа оно слегка поддается нажиму (совершается работа). А из приближенной теории следует, что гироскопический момент в точности равен моменту внешних сил, поэтому точка нажима либо вообще не должна перемещаться, либо должна перемещаться в перпендикулярном нажиму направлении.

Если закрепить ось гироскопа так, чтобы она могла свободно поворачиваться только в одной плоскости, а затем попытаться повернуть ее в этой плоскости, то приближенная теория отказывает. В этом случае вектор внешнего момента не может быть перпендикулярен плоскости, в которой находится вектор угловой скорости (т.е. ось гироскопа в упрощенной теории) и должна совершаться работа.

Так что если гироскоп, у которого ось может поворачиваться только в одной плоскости, пытаться поворачивать в этой же плоскости, то он начнет наращивать обороты.

Согласно упрощенной теории, если на яхте установить гироскоп (даже без гидропривода), то этот гироскоп будет прецессировать туда-сюда, а боковая качка должна прекратиться совершенно, т.к. гироскопический момент всегда в точности уравновешивает момент качки. На самом же деле положительная работа против гироскопического момента волнами все же совершается, т.к. качка не устраняется полностью. Этот эффект становится все слабее по мере раскручивания гироскопа, т.к. постоянный момент качки совершает работу на все меньшем и меньшем перемещении корпуса судна (качка судна с увеличением оборотов гироскопа уменьшается).

Когда либо внешний момент становится малым, либо момент импульса гироскопа становится большим, мы получаем хорошее совпадение с приближенной теорией, а именно почти нулевая работа моментов внешних сил. Думаю, на яхтах габариты гироскопа ограничены и отклонения от приближенной теории уже заметны.

[Emergency]

realeugene в сообщении #1507261 писал(а):

В правой части у вас скалярное произведение двух векторов: момента прилагаемых к гироскопу сил и угла поворода при прецессии его оси. Эти вектора направлены вдоль ортогональных осей.

Гидроцилиндр поворачивает вертикальную ось гироскопа моментом $M$ на угол $\varphi$ в одной плоскости. Почему вы считаете, что при этом не производится работа? Зачем тогда в гидроцилиндр нагнетается жидкость под давлением и выдвигается шток? На что тратится работа гидроцилиндра?

[realeugene]

Emergency в сообщении #1507408 писал(а):

Гидроцилиндр поворачивает вертикальную ось гироскопа моментом $M$ на угол $\varphi$ в одной плоскости.

Потому что гидроцилиндры давят в одной плоскости, а ось гироскопа поворачивается в другой плоскости, в которой эта пара гидроцилиндров не давит. А вот в этой другой плоскости свои гидроцилиндры должны отработать этот поворот оси гироскопа, сами не создавая момента в этой плоскости. В них и нагнетается жидкость компрессором, чтобы они двигались и отрабатывали поворот оси гироскопа. Работа компрессора идёт на компенсацию трения в этих гидроцилиндрах и на потерю давления выпускаемой из гидроцилиндра жидкости.

Для того, чтобы гасить энергию волн, вообще говоря, энергии не требуется. Берег моря с этим справляется прекрасно сам без компрессоров и гидроцилиндров.

[Emergency]

realeugene в сообщении #1507413 писал(а):

гидроцилиндры давят в одной плоскости, а ось гироскопа поворачивается в другой плоскости

Простите великодушно, но вы не хотите вникать в ситуацию. В другой плоскости ось гироскопа поворачивается когда ей ничто не мешает. Но там е фиксируют другие гидроцилиндры, которые тоже совершают работу. кроме того, у гидроцилиндра две точки крепления - одна на гироскопе, а вторая на корпусе корабля и ничто не мешает гидроцилиндру качать корабль, а не ось гироскопа. Главное, что при этом меняется угол и совершается работа.
В данном случае гироскоп выполняет лишь роль точки опоры (с помощью которой Архимед грозился перевернуть мир), но и эта опора не абсолютна, то есть ось гироскопа все же наклоняется от своего предыдущего положения. Иначе гироскоп не было бы смысла делать массивным и быстро вращающимся - достаточно было бы детского волчка.

[realeugene]

Emergency в сообщении #1507448 писал(а):

Простите великодушно, но вы не хотите вникать в ситуацию.

У меня складывается впечатление, что вы полностью позабыли теорию гироскопов.

Emergency в сообщении #1507448 писал(а):

кроме того, у гидроцилиндра две точки крепления - одна на гироскопе, а вторая на корпусе корабля и ничто не мешает гидроцилиндру качать корабль

Ну так корабль в этой плоскости не качается, так как его стабиллизировали, и гироскоп в этой плоскости не качается, так как качается в другой плоскости. Результат - длина этих гидроцилиндров не изменяется.

Emergency в сообщении #1507448 писал(а):

Иначе гироскоп не было бы смысла делать массивным и быстро вращающимся - достаточно было бы детского волчка.

Посчитайте угол прецессии детского волчка за пару секунд под действием требуемого момента для выравнивания корабля. Заметьте при этом, что угол прецессии должен оставаться малым и, в любом случае, не приближаться к 90 градусам.

[Emergency]

realeugene в сообщении #1507451 писал(а):

Посчитайте угол прецессии детского волчка за пару секунд под действием требуемого момента для выравнивания корабля.

Зачем? У меня в детстве были машинки с маховичными двигателями (с горизонтальной осью) и я даже не замечал, что что-то там сопротивляется поворотам. Что я делал не так?

-- 02.03.2021, 18:45 --

И зачем вы все время вспоминаете прецессию? Мы же ее контролируем теми же гидроцилиндрами.
Кстати, корабль с гироскопом можно заставить работать в качестве генератора электроэнергии, отбирая энергию бортовой и/или килевой качки.

[realeugene]

Emergency в сообщении #1507467 писал(а):

И зачем вы все время вспоминаете прецессию? Мы же ее контролируем теми же гидроцилиндрами.

Нет, не контролируем, по крайней мере, в частотной полосе воздействия на корабль волн. Волны создают моменты сил, действующих на корабль. Чтобы корпус корабля оставался неподвижным, эти моменты сил от волн нужно в точности передать гидроцилиндрами на ось гироскопа. Под действием этого момента сил ось гироскопа прецессирует однозначным образом:

$$\dot{\vec L}=\vec M = \left[\vec\Omega\times\vec L\right]$$

где $\vec L$ - момент импульса быстро врадающегося маховика, $\vec M$ - момент внешних сил, $\vec\Omega$ - угловая скорость прецессии оси вращения гироскопа.
Обратите внимание, что $\vec M \perp\vec\Omega$, т. е. вызывающий прецессию оси гироскопа создаваемый гидроцилиндрами момент сил работу при этом не совершает.

[EUgeneUS]

realeugene в сообщении #1507469 писал(а):

эти моменты сил от волн нужно в точности передать гидроцилиндрами на ось гироскопа.

Позвольте спросить, а Вы обсуждаемую конструкцию видели?

В ней момент сил от волн (поперечная качка) передается на ось гироскопа безо всяких гидроцилиндров через корпус корабля.
А гидроцилиндры работают, качая гироскоп вокруг оси прецессии. То есть $M_h\parallel \vec{\Omega}$, где $M_h$ - момент создаваемый гидроцилиндрами.