回转仪是利用陀螺高速旋转时轴的方向恒定不变的特性而制成的一种装置，陀螺仪主要是由一个位于轴心且可旋转的转子构成。 陀螺仪一旦开始旋转，由于转子的角动量，陀螺仪有抗拒方向改变的趋向。陀螺仪多用于导航、定位等系统。正旋转中的陀螺的特性，是稳定地保持平衡和断然地反抗一切把它推倒的企图，这在远古时代大家都已知道了。

回转仪是一种方向恒定不变的装置。经过了许多世纪的时光，并未发现陀螺在实际上的使用，始终不过是件有趣的玩意儿罢了。只是在现代技术上,它的奇妙特性才受到了评价和利用。特殊构造的陀螺，或者把它叫做回转仪，变成在航空上、船只使用。

刚体所受合外力矩为零时，动量矩守恒，刚体便在惯性支配下转动，其动量矩的大小和轴的方向将保持不变。

回转仪是利用物体高速转动时转轴方向不变的特性制成的。回转仪的主要部分是厚重、对称的高速陀螺，一般由内外两环组成的支架支承。这两个环可分别绕相互垂直的两个轴转动，这样陀螺的转轴可以占据空间的任何方位。陀螺高速转动时，如果没有外力矩作用，转轴方向恒保持不变，即使支架发生转动或其他变化，都不影响转轴方向。通常把回转仪用作定向装置或稳定装置等。

l、将电机的电源线接入220V电源，脚踩脚踏开关，启动电机。

2、将回转仪四个外环调整到同一平面内，电机转速正常后，将回仪的转子放在电机的旋转轮上，转子在电机的带动下，即可高速旋转起来（手应握紧回转仪的手柄及四个外环，注意转子的旋转方向应和标示箭头方向一致），待转子高速旋转起来后，放开脚踏开关，可以演示回转现象。这时可以手持， 仔意改变外环的方向，我们看到转子的方向始终保持不变，实验完毕再将其插入底座中。

3、将转盘插入底座上持用，将回转陀螺在启动电机的带动下，使其高速旋转起来（手应握紧，注意旋转方向应该和标示方向一致）将回转陀螺有横杆的一端放在转盘上，看到回转陀螺高速旋转的同时转盘也转动起来，回转陀螺明显减速后，应迅速将其取了，以免陀螺倒下滚动伤人或滚远。

4、将高速旋转的陀螺放在插座上，用来演示回转和进动现象。

5、将高速旋转的陀螺放在轨道上，演示陀螺下滑及进动。

绕旋转对称轴以很大的角速度转动的物体，如果没有外力矩的作用，由于惯性，物体转动轴的方向保持不变。迅速转动的陀螺受外力矩（如重力力矩）作用时，它并不是立即倾倒，而是转动轴绕着某固定轴缓缓转动。一个自转的物体受外力矩作用导致其自转轴绕竖直轴旋转，这种现象称为进动。

杠杆式回转仪是一种最常见的进动演示仪器，该仪器可以直观地演示出刚体的进动和陀螺的定轴性这一物理现象，几乎所有学校用它来演示进动，以加深学生对刚体角动量与力矩的关系的理解。也有人提出了一些改进的回转仪来更清楚的演示这一现象，但是这些基本上都停留在定性的演示。如果能够对这一现象进行定量分析，学生通过测量各运动状态量，并经过自己动手计算各运动量之间的关系，将会对这一现象有更加深刻的认识，也培养了他们的动手能力与科学计算的素养。

杠杆式回转仪的结构见图1，装有圆轮的铁杆既能够绕着水平轴转动，又能和水平轴绕竖直轴旋转。配重块能沿着铁杆移动。如果对杠杆式回转仪进行仔细观察，会发现有如下主要现象：

（1）调节配重块的位置，使系统的重心通过支点，圆轮的自转轴处于水平方位，整个系统处于平衡状态。使圆轮快速转动，可以看到无论怎样旋转铁杆，圆轮的转轴方位始终保持不变，即角动量不变。

（2）调节配重物的位置，使系统的重心不过支点，即整个系统对支点轴受有重力矩作用。如果让圆轮绕铁杆旋转起来时，杠杆式回转仪就会产生进动现象。增大圆轮自转速度，进动速度将会减慢。改变圆轮的自转方向，铁杆的水平摆动角速度方向也随之改变。

（3）圆轮自转速度一定，如果移动配重块位置，进动速度也将发生变化。配重块越靠近旋转轴，进动速度也越大。

杠杆式回转仪的运动量主要为圆轮的自转速度，圆轮绕竖直旋转轴Z转动的进动角速度和圆轮进动的角度，我们分别使用霍尔传感器、光电传感器和电位器型角度传感器来完成这些量的测定。

（1）自转角速度的测定

自转角速度的测定可以采用霍尔式传感器，测量方法如图2所示。在圆轮上按一定角度固定若干小磁铁，霍尔传感器固定在铁杆上，圆轮旋转时带动磁铁旋转。当磁铁经过霍尔传感器时，霍尔传感器产生电脉冲，通过记录各电脉冲之间的间隔时间可以间接测量出圆轮旋转角速度。

（2）进动角速度的测定

进动角速度的测量采用光电式传感器，在竖直轴轴套上固定一个光电传感器，在竖直旋转轴上固定挡片，挡片间隔为90°，竖直旋转轴转动时带动挡片旋转，其结构如图1所示。挡片依次通过光电传感器，光电传感器产生一个脉冲。通过计算相邻脉冲间隔时间就能准确的实现进动角速度的测量。

（3）进动角度的测量

对于进动角度的测量可以选用电位器型角度传感器，传感器固定部分连接到竖直轴轴套上，滑动端接在竖直旋转轴上。

通过杠杆式回转仪的定量演示，使学生们对力矩和角动量等有了初步的认识，再通过计算各运动量的关系，对角动量定理，力矩与进动速度间关系、角速度与进动速度间的关系能有更进一步的理解。研究也对角速度和角度的测量方法进行了介绍，通过动手测量，计算激发学生探索理论联系实际的能力，拓展了知识面，对杠杆式回转仪运动状态的定量分析有着重要的意义。

回转仪有内、外两个地球仪，外地球仪以南北两极为铰点，铰接在地球仪支架上，然后以外地球仪赤道线上经度为 0°和 180°的两点为铰点，在其内部再配置一个地球仪。当施力转动外地球仪时，内地球仪虽然未被施力，但也会产生转动；同理，当施力转动内地球仪时，外地球仪也会产生转动。这种物理学现象称为 “回转仪效应” ，也称 “陀螺仪效应”。汽车转向桥中的前桥与两个转向节也相当于一个回转仪，它是以两转向节中心线与主销中心线的交点为铰点，前桥相当于内地球仪，转向节相当于外地球仪。当一侧的转向轮或前桥单边跳动时，相对于另一侧不跳动的转向轮，前桥会产生一个倾斜的偏离角， “回转仪效应” 使转向节也转动一个相应的角度。也就是说，安装在转向节上的转向轮会产生一个转向角。

如果不考虑阻尼作用，这两个角度相等，跳动量越大， “回转仪效应”产生的转向角也越大。如果转向轮或前桥单边发生循环上下跳动，则转向轮也会产生左右抖动。此外，汽车车身越窄，两铰点的距离越小，跳动时产生的偏离角就越大，“回转仪效应”就越明显。非独立悬架由于有刚性的前轴，其 “回转仪效应” 的反应比独立悬架更明显。“回转仪效应” 对汽车转向系统和制动系统的影响都很大。

在汽车行驶中，单边转向轮突然遇到障碍物跳起或遇到凹坑下陷时，相对于另一侧未跳动的转向轮，两转向节的铰产生一个倾斜的偏离角，“回转仪效应”会使两转向轮也产生一个转向角，并通过转向节臂、直拉杆、转向器臂、转向器传动齿轮副、方向盘杆件传递给方向盘，使方向盘产生突然间的跳转。由于杆件杠杆比和传动齿轮速比的放大（一般在 12～15 倍），当转向轮产生的转向角大于 3°时，方向盘的跳转会大于45°。因此，当汽车在不平路面行驶时，驾驶员手握方向盘的姿势一定要正确，不得将手指、手腕放在方向盘的内侧，以避免方向盘突然跳转时受伤。

转向轮跳动与“回转仪效应” 产生的转向角的方向分析如下：以左转向轮为例，当左转向轮遇到障碍物向上跳起时，左铰相对于右铰产生一个顺时针的向上的偏离角，左转向轮会产生一个向右（向内）的转向角，而右转向轮的右铰相对于左铰是向下的偏离角，右转向轮也会产生一个向右（向外）的转向角，两转向轮的偏转方向相同。当左转向轮遇到凹坑下陷时，左铰相对于右铰产生一个逆时针的向下的偏离角，左转向轮会产生一个向左（向外）的转向角，而右转向轮的右铰相对于左铰是向上的偏离角，右转向轮也会产生一个向左（向内）的转

向角，两转向轮的偏转方向相同。同理，当右转向轮发生跳动时，左、右转向轮也会产生由“回转仪效应” 引起的转向角，且两转向轮的转向角方向相同。

在汽车行驶中，由于左、右侧装载不均，轮胎尺寸、气压不等，左、右悬架刚度不等以及一些其它原因造成车架、车桥（特别是转向桥）左、右两侧有一定倾斜时，左、右转向节的两铰也会产生一定的倾斜或有倾斜的趋势。根据“回转仪效应” ，两转向轮也会产生一个转向角或有产生转向角的趋势。当驾驶员松开方向盘时，汽车就会按这个转向角的方向跑偏。显然，当车辆左高右低时会向右跑偏，右高左低时会向左跑偏。

这里需要特别指出的是钢板弹簧的刚度。钢板弹簧总成未装配前自由状态的刚度称为“自由刚度” ，它的刚度计算长度是全长的一半（刚度与计算长度的三次方成反比），即钢板弹簧销到钢板弹簧中心的距离；钢板弹簧总成与前桥装配后的刚度称为“夹紧刚度” ，理论上“夹紧刚度”的计算长度是从钢板弹簧销到“U”形螺栓中心线的距离，两者是不一样的。实际上，“夹紧刚度” 会随“U”形螺栓拧紧力矩的变化而变化，拧紧力矩大，趋于 “夹紧刚度”；拧紧力矩小，趋于 “自由刚度”。因此，在检查两侧钢板弹簧刚度时，不仅要检查钢板弹簧的挠度是否一样，还要检查左、右侧“U”形螺栓的拧紧力矩是否一致。此外，钢板弹簧因磨损变薄、有细小的裂纹等，都会使其刚度下降，这用目测检查是很难发现的，一般采用更换钢板弹簧总成或将左、右侧钢板弹簧对调来排除故障。

在汽车转向时，由于离心力的向外作用，使左、右车轮也产生轮荷之间的转移，即内轮的轮压减小，外轮的轮压增大。又由于两侧的悬架和轮胎都是弹性体，汽车车架及转向桥会产生向外的倾斜，两转向节铰产生一个偏离角或有产生偏离角的倾向。根据“回转仪效应”，两转向轮也相应产生一个向外的转向角或有产生转向角的倾向，它的方向与汽车转向时的转向角方向相反，使汽车产生不足转向或有产生不足转向的趋势，因此加大了驾驶员在转向时对方向盘的用力程度。

由于不足转向会使汽车的转向稳定性增大，因此汽车转向时的“回转仪效应”是有利于转向时的操纵稳定性的，但增大了驾驶员转向时的方向盘操作力。“回转仪效应”产生的转向稳定效应随着转向时的离心力的增大而增大，但相对于其它几个转向稳定效应来说是比较小的，所以常被忽略不计。