🌐 Kreisel

➡️ Der kardanisch gelagerte Kreisel

Ein kardanisch gelagerter Kreisel, wie Sie ihn in diesem Versuch verwenden, ist in Abb. 1 gezeigt:

Er besteht aus einem massiven Rotor, der in seiner Figurenachse drehbar an einem inneren Kardanrahmen befestigt ist.
Senkrecht zur Figurenachse des Rotors ist der innere Kardanrahmen drehbar an einem äußeren Kardanrahmen befestigt.
Der äußere Kardanrahmen ist drehbar mit einer Bodenplatte verbunden.

Auf diese Weise kann sich der Rotor grundsätzlich frei im Raum drehen.

Tipp

Im Bild sind der Rotor schwarz, die Kardanrahmen gelb und die Bodenplatte grau zu sehen.

Hinweis

Am inneren Kardanrahmen lässt sich an einer Seite eine Antriebswelle zum Anwerfen des Kreisels mit Hilfe eines Zahngetriebes ansetzen.
An der anderen Seite lässt sich ein Metallstab zur Erzeugung eines resultierenden Drehmoments anschrauben, was zum Phänomen der Präzession des Kreisels führt.
Am äußeren Kardanrahmen lassen sich zylinderförmige Zusatzgewichte zur Erhöhung des mit dem äußeren Kardanrahmen verbundenen Drehmoments anbringen.

➡️ Antrieb

Der Kreisel wird mit einem regelbaren Antriebsmotor mit biegsamer Welle in Schwung gebracht.

Hinweis

Stellen Sie die Drehzahlsteuerung vor jedem Kreiselanwurf auf Null zurück.
Der Antriebsmotor sollte immer im Rechtslauf und im Drehzahlbereich zwischen \(0-3500\ \text{Umdrehungen/min}\) betrieben werden.
Vergewissern Sie sich vor jedem Kreiselanwurf, dass die biegsame Welle am Motorflansch fest aufsitzt, und dass sie möglichst wenig gebogen ist.
Sorgen Sie durch geeigneten Druck für einen guten mechanischen Kontakt mit der Sägezahnkupplung.
Es bietet sich an, dass eine Person die Welle hält, während eine andere Person die Drehzahl des Motors langsam erhöht.
Wenn Sie die biegsame Welle nicht benötigen, lagern Sie diese in gestreckter Stellung.

➡️ Frequenzbestimmung

Zur Frequenzbestimmung am Kardankreisel gibt es zwei auf Schwanenhalshalterungen montierte Bewegungssensoren. Die periodischen Bewegungen der Rotation (\(\vec{\omega}\)) und der Nutation (\(\vec{\omega}_{N}\)) werden durch Fototransistoren in elektrische Pulse umgesetzt, die über Pulszähler direkt als Frequenzen angezeigt werden.

Hinweis

Zur Bestimmung seiner Kreisfrequenz (\(\vec{\omega}\)) befindet sich ein reflektierender Streifen auf den Rotor. Biegen Sie die Schwanenhalshalterung so, dass sich das Dioden/Fototransistorelement fast senkrecht etwa \(1\ \mathrm{cm}\) über der Rotationsfläche befindet. Zwei LED-Leuchten an der Schwanenhalshalterung geben Aufschluss über eine gute Positionierung:

LED-1 sollte bei Betriebsbereitschaft immer leuchten.
LED-2 sollte regelmäßig mit der aufgenommenen Frequenz blinken.

Wenn LED-2 dunkel bleibt, ist der Lichtreflex zu schwach; bei Dauerlicht ist er zu intensiv. Als Regelparameter verwenden Sie den Abstand und den Winkel des Dioden/Fototransistorelements zur Oberfläche des Rotors.

Die Nickbewegung des inneren Kardanrahmens aufgrund der Nutation (mit \(\vec{\omega}_{N}\)) wird mit Hilfe der zweiten Schwanenhalshalterung erfasst. Positionieren Sie hierzu das Dioden/Fototransistorelement so, dass der auf dem Rand des inneren Kardanrahmens befindliche zweite Reflektorstreifen periodisch erfasst werden kann.

Die Frequenzzähler werden über den A-Eingang gespeist.
Die Funktion „FA“ (Frequenz an A) sollte beim Einschalten der Geräte standardmäßig aktiviert sein.
Mit den weiteren Einstellungen „Auto“-Triggerung und Dämpfung „1-25“ sollte ein sorgloser Messbetrieb gewährleistet sein.
Die Frequenzzählung erfolgt kontinuierlich.
Zum Ablesen können beide Frequenzzähler gleichzeitig mit einem Schalter am Kontrollkästchen angehalten werden.

Die Präzessionsbewegung nehmen Sie per Hand mit einer Stoppuhr auf.