Гироскопический эффект и его применение. Гироскопический эффект

Гироскоп – достаточно массивное однородное тело, быстро вращ. вокруг своей оси, являющейся свободной осью (свободная ось – ось вращения тела, которая не изменяет своей ориентации в пространстве без действия на нее внешних сил).

Если момент внешних сил равен 0, т.е. L=const, то свое положение в пространстве сохраняет и ось гироскопа. Чтобы ось гироскопа изменила свое направление в пространстве, необходимо наличие момента внешних сил. При этом наблюдается гироскопическое явление.

Гироскопическое явление: Под действием пары сил F, приложенных к оси вращения, ось гироскопа О 1 поворачивается вокруг О 3 , а не вокруг О 2 , как это казалось естественным. Гироскопический эффект объясняется следующим образом. Момент M пары сил F направлен вдоль прямой О 2 . За время dt момент импульса гироскопа L изменится на величину dL=Mdt, причем направление момента силы M совпадает с направлением dL, и станет равным . Направление вектора L’ совпадает с новым направлением оси гироскопа. Т.о. ось гироскопа повернется вокруг прямой О 3 .

Если время действия внешней силы мало, то изменение момента импульса dt гироскопа также будет малым. Поэтому кратковременное действие практически не приведет к изменению ориентации оси гироскопа в пространстве. А для ее изменения приходится прикладывать силу в течение длительного времени.

18. Напряженность гравитационного поля. Работа в поле тяготения. Потенциал поля тяготения. Космические скорости .

Закон всемирного тяготения определяет зависимость силы тяготения от масс взаимодействующих тел и расстояния между ними, но он не показывает, как осуществляется это взаимодействие. Силы тяготения не зависят от того, в какой среде находятся взаимод. тела. Тяготение сущ. и в вакууме. Гравитационное взаимод. осущ. с помощью потя тяготения или гравитационного поля. Это поле порождается токами и явл. формой существования материи. Основное свойство гравитационного поля – на всякое тело массой m, внесенное в это поле, действует сила тяготения F=mg. вектор g не зависит от m и называется напряженностью поля тяготения. Напряженность поля тяготения опред. силой, действующей со стороны поля на мат. точку ед. массы и совпад. с направл. действующей силы. Напряженность есть силовая характеристика поля тяготения. Поле тяготения называют однородным, если его напряженность во всех точках равна. Для граф. изображ. напряженности используют силовые лени (линии напряженности). Силовые линии – линии, в каждой точке которых вектор напряженности поля направлен по касательной к силовой линии.

Вычислим, какую работу надо совершить для удаления тела массой m от Земли. На расстоянии R на тело действ. сила . При перемещении тела на DR совершается работа . Знак «-» т.к. сила и перемещение противоп. направлены. При перемещении тела от R 1 до R 2, соверш. работа. . Из формулы видно, что работа в поле тяготения не зависит от траектории перемещения, а опред. начал. и конеч. положением тела. Т.е. работа по замкнутому пути равна 0. получим, что поле тяготения явл. потенциальным. Работа, соверш. потенц. силами = изменению потенц. энергии сист, взятому со знаком «-». . Сравнивая с предыдущей формулой, видно, что . Величина, равная назыв. потенциалом поля.

Потенциал поля – это энергетическая хар-ка поля, скалярная величина, показывающая, какую работу надо совершить над телом ед. массы для перемещения из данной точки в бесконечность. Физ. смысл – потенциал – это потенциальная энергия тела ед. массы. ГМТ с одинаковым потенциалом наз. эквипотенциальными поверхностями (сфера). Связь между напряженностью и потенциалом

где - вектор (производная по направл.), показ. направл. максимал. измен. величины. «-», т.к. напряженность направл. в сторону убывания потенциала.

Для запуска ракет надо в зависимости от цели сообщить им опред. начал. скорости, наз. космическими. Первая космическая скорость – скорость, которую надо сообщ. телу, чтобы оно могло двигаться вокруг земли по круговой орбите, т.е. превратиться в искусств. спутник.

Если r=R з, то

Вторая космическая скорость – наименьшая скорость, которую нужно сообщит телу, чтобы оно могло преодолеть притяжение Земли и превратиться в спутник Солнца, т.е. его орбита в поле тяготения земли станет параболической. Чтобы тело преодолело земное притяжение и ушло в космич. простр., надо, чтобы его кинетич. энергия = работе, соверш. против сил тяготения.

Третья космическая скорость – скорость, которую необх. сообщить телу на Земле, чтобы оно покинуло пределы солнечной системы, преодолев притяжение Солнца

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Тема: «Гироскопический эффект и его применение»

Введение

Постоянное совершенствование систем управление летательных аппаратов сопровождается непрерывным развитием их измерительных устройств (ИУ).

К основному составу бортовых измерительных устройств следует отнести акселерометры, гироскопические системы, оптикоэлектронные приборы и.т.д.

Гироскопические устройства (ГУ) занимают одно из важных мест в системах управления летательных аппаратов. Основным элементом ГУ является гироскоп, представляющий собой быстровращающееся симметричное тело. Слово «гироскоп» состоит из двух греческих слов: «гирос» - вращение и «скопео» - наблюдать, смотреть.

Быстровращающееся тело приобретает на первый взгляд труднообъяснимое свойство сохранять свое угловое положение неизменным в инерциальном пространстве - свойство устойчивости. На такое необычное качество вращающихся тел человек обратил внимание еще в глубокой древности.

Всем известна игрушка волчок, которая при его закрутке с угловой скоростью щ приобретает устойчивость относительно горизонтальной плоскости. Многие века волчок оставался всего лишь игрушкой. Впервые изучение волчка занялся И. Ньютон (1642-1727 гг.). Член Российской Академии Наук Л. Эйлер (1707-1783 гг.) вывел уравнения движения твердого тела относительно неподвижной его опоры. Эти выдающиеся ученые предвосхитили блестящее будущее волчка.

Дальнейшее развитие теория волчка нашла в трудах Ж. Лагранжа (1736-1813 гг.) и Л. Пуансо (1777-1859 гг.). Тем не менее, волчок оставался все еще игрушкой до тех пор, пока Л. Фуко (1819-1868 гг.) не поместил его в устройство, состоящее из двух колец и названное по имени его изобретателя Кардана - карданным подвесом. Образованный таким образом прибор был назван гироскопом и впервые продемонстрирован Л. Фуко в 1852 году на заседании Парижской академии наук (рис. 1)

Начало практического использования гироскопических устройств связывают с 1898 г., когда лейтенант австрийской армии Обри предложил прибор, обеспечивающий стабилизация курса морской торпеды.

Новые возможности практического использования гироскопических устройств открылись в связи с опубликованием работ выдающегося русского ученого Н.Е. Жуковского. В 1912 году он предложил установить гироскоп на ЛА с целью повышения устойчивости аппарата. В данном случае устройство выполняло функции исполнительного органа, с помощью которого создавались управляющие и демпфирующие моменты относительно центра масс аппарата. В настоящее время гироскопические исполнительные органы находят широкое применение в системах угловой стабилизации КА.

Рис. 1 Схема модели первого гироскопа Л. Фуко, 1852 г

гироскоп поплавковый лазерный оптический

1. Гироскоп и его основные свойства

Обнаруженное свойство волчка открывало интереснейшие перспективы его использования. Представим себе, что мы наблюдаем за земным шаром со стороны его Северного полюса N из мирового пространства (рис.2).

Рис. 2 Отклонение гироскопа с течением времени от плоскости горизонта

Предположим также, что в начальный момент времени мы увидели волчок установленным на экваторе в точке В0, причем его главная ось АА1 направлена с запада на восток и расположена горизонтально. Вследствие суточного вращения Земли точка В0 непрерывно изменяет свое положение. По прошествии трех часов она переместится в точку В3, через шесть часов - в точку В6, через двенадцать - в точку В12 и т.д. пока вновь не вернется в исходное положение по истечении 24 часов. Известно, что в любой точке на земной поверхности плоскость горизонта перпендикулярна радиусу земного шара (т.е. плоскость горизонта изменяет с течением времени свое положение в мировом пространстве). Поэтому для наблюдающего из мирового пространства ее положение для точки земной поверхности, расположенной на экваторе, будет казаться прямой линией. Так, в точке В0 это будет прямая а0b0, в точке В3 - прямая а3b3, в точке В3 - прямая а6b6 и т.д.

В суточном вращении Земли участвует и точка подвеса волчка, закрепленная с помощью кардановых колец неподвижно на земной поверхности.

Главная ось такого волчка не сохранит неизменного положения относительно плоскости горизонта. Оставаясь стабильной и мировом пространстве, главная ось АА1 волчка отклонится от плоскости горизонта. Причем угол этого отклонения будет равен углу поворота земного шара.

Следовательно, наблюдатель, находящийся на земной поверхности рядом с волчком в карданном подвесе, сможет по отклонению его главной оси от плоскости горизонта определить угол поворота земного шара около своей оси.

Прибор Фуко дал возможность непосредственно наблюдать суточное вращение Земли, поэтому и был назван гироскопом.

Быстро вращающийся гироскоп оказывает значительное сопротивление любым попыткам изменить его положение в пространстве. Если воздействовать на его наружное кольцо НК (рис.3) силой F, пытаясь повернуть гироскоп вокруг оси СС1, то можно убедиться в сопротивлении гироскопа внешнему усилию.

Гироскоп начнет поворачиваться не вокруг оси СС1 а вокруг оси ВВ1. в направлении, указанном стрелкой. Скорость вращения гироскопа вокруг оси ВВ1 будет тем больше, чем больше сила F.

Рис. 3 Сопротивляемость гироскопа внешним усилиям

Одновременно были обнаружены и другие интересные свойства гироскопа. Опыты показали, что, затягивая винты d, расположенные на наружном кольце НК , и лишая тем самым гироскоп свободы вращения вокруг оси ВВ1, создают условия, при которых гироскоп будет стремиться совместить свою главную ось АА1 с плоскостью меридиана. Для этого необходимо главную ось гироскопа предварительно установить в плоскость горизонта. Если же затянуть винт d1, расположенный на корпусе К прибора, и лишить тем самым гироскоп свободы вращения вокруг оси СС1, то главная ось АА1 при условии ее предварительного совмещения с плоскостью меридиана, будет стремиться к совмещению с линией, параллельной оси мира.

Для уяснения природы многообразных свойств гироскопа обратимся к некоторым основным понятиям и законам механики.

2. Свойство трехстепенного роторного гироскопа

Среди механических гироскопов выделяется роторный гироскоп -- быстро вращающееся твёрдое тело (ротор), ось вращения которого может свободно изменять ориентацию в пространстве. При этом скорость вращения гироскопа значительно превышает скорость поворота оси его вращения. Основное свойство такого гироскопа -- способность сохранять в пространстве неизменное направление оси вращения при отсутствии воздействия на него моментов внешних сил и эффективно сопротивляться действию внешних моментов сил. Это свойство в значительной степени определяется величиной угловой скорости собственного вращения гироскопа.

При воздействии момента внешней силы вокруг оси, перпендикулярной оси вращения ротора, гироскоп начинает поворачиваться вокруг оси прецессии, которая перпендикулярна моменту внешних сил.

Поведение гироскопа в инерциальной системе отсчёта описывается, согласно следствию второго закона Ньютона, уравнением

Где векторы и являются, соответственно, моментом силы, действующей на гироскоп, и его моментом импульса.

Изменение вектора момента импульса под действием момента силы возможно не только по величине, но и по направлению. В частности, момент силы, приложенный перпендикулярно оси вращения гироскопа, то есть перпендикулярный, приводит к движению, перпендикулярному как, так и, то есть к явлению прецессии. Угловая скорость прецессии гироскопа определяется его моментом импульса и моментом приложенной силы.

То есть обратно пропорциональна скорости вращения гироскопа. Одновременно с возникновением прецессии, согласно следствию третьего закона Ньютона, гироскоп начнёт действовать на окружающие его тела моментом реакции, равным по величине и противоположным по направлению моменту, приложенному к гироскопу. Этот момент реакции называется гироскопическим моментом.

То же движение гироскопа можно трактовать иначе, если воспользоваться неинерциальной системой отсчёта, связанной с кожухом ротора, и ввести в ней фиктивную силу инерции -- так называемую кориолисову силу. Так, при воздействии момента внешней силы гироскоп поначалу будет вращаться именно в направлении действия внешнего момента (нутационный бросок). Каждая частица гироскопа будет таким образом двигаться с переносной угловой скоростью вращения вследствие действия этого момента. Но ротор гироскопа, помимо этого, и сам вращается, поэтому каждая частица будет иметь относительную скорость. В результате возникает кориолисова сила, которая заставляет гироскоп двигаться в перпендикулярном приложенному моменту направлении, то есть прецессировать.

3. Новые типы гироскопов

Постоянно возрастающие требования к точностным и эксплуатационным характеристикам гироскопических приборов стимулировали ученых и инженеров многих стран мира не только к дальнейшим усовершенствованиям классических гироскопов с вращающимся ротором, но и к поискам принципиально новых идей, позволяющих решить проблему создания чувствительных датчиков для индикации и измерения угловых движений объекта в пространстве.

В настоящее время известно более ста различных явлений и физических принципов, которые позволяют решать гироскопические задачи. Выданы многие тысячи патентов и авторских свидетельств на соответствующие открытия и изобретения. И даже их беглое перечисление представляет собой невыполнимую задачу. Поэтому остановимся только на самых интересных направлениях, с помощью которых получены наиболее значительные практические результаты. При этом надо учесть, что уровень развития гироскопии оказывал существенное влияние на обороноспособность, поэтому во времена холодной войны гироскопы разрабатывались в обстановке строжайшей секретности и информация о полученных результатах хранилась за семью печатями.

Поплавковые гироскопы

Поплавковый гироскоп (ПГ) представляет собой классический роторный гироскоп, в котором для разгрузки подшипников подвеса все подвижные элементы взвешены в жидкости с большим удельным весом так, чтобы вес ротора вместе с кожухом уравновешивался гидростатическими силами. Благодаря этому на много порядков снижается сухое трение в осях подвеса и увеличивается ударная и вибрационная стойкость прибора. Герметичный кожух, выполняющий роль внутренней рамки карданового подвеса, называется поплавком. Конструкция поплавка должна быть максимально симметричной. Ротор гироскопа внутри поплавка вращается на воздушной подушке в аэродинамических подшипниках со скоростью порядка 30-60 тыс. оборотов в минуту. ПГ с большим вязким трением жидкости называется также интегрирующим гироскопом.

ПГ до настоящего времени остается одним из наиболее распространенных типов гироскопов и, безусловно, будет широко применяться в ближайшие годы, так как основывается на хорошо отработанных технологиях, мощной производственной базе. Но новые разработки ПГ, по-видимому, нецелесообразны, поскольку дальнейшее повышение точности встречает труднопреодолимые препятствия и вряд ли будет экономически оправданным.

Динамически настраиваемые гироскопы

Динамически настраиваемые гироскопы (ДНГ) принадлежат к классу гироскопов с упругим подвесом ротора, в которых свобода угловых движений оси собственного вращения обеспечивается за счет упругой податливости конструктивных элементов (например, торсионов). В ДНГ в отличие от классического гироскопа используется так называемый внутренний карданов подвес (рис. 3), образованный внутренним кольцом 2, которое изнутри крепится торсионами 4 к валу электродвигателя 5, а снаружи - торсионами 3 к ротору 1. Момент трения в подвесе проявляется только в результате внутреннего трения в материале упругих торсионов. В динамически настраиваемых гироскопах за счет подбора моментов инерции рамок подвеса и угловой скорости вращения ротора осуществляется компенсация упругих моментов подвеса, приложенных к ротору. К достоинствам ДНГ следует отнести их миниатюрность, высокую стабильность показаний, относительно невысокую стоимость.

Кольцевые лазерные гироскопы

Кольцевой лазерный гироскоп (КЛГ), называемый также квантовым гироскопом, создан на основе лазера с кольцевым резонатором, в котором по замкнутому оптическому контуру одновременно распространяются встречные электромагнитные волны. Длины этих волн определяются условиями генерации, согласно которым на длине периметра резонатора должно уложиться целое число волн, поэтому на неподвижном основании частоты этих волн совпадают. При вращении резонатора лазерного гироскопа путь, проходимый лучами по контуру, становится разным и частоты встречных волн становятся неодинаковыми. Волновые фронты лучей интерферируют друг с другом, создавая интерференционные полосы. Вращение резонатора лазерного гироскопа приводит к тому, что интерференционные полосы начинают перемещаться со скоростью, пропорциональной скорости вращения гироскопа. Интегрирование по времени выходного сигнала лазерного гироскопа, пропорционального угловой скорости, позволяет определить угол поворота объекта, на котором установлен гироскоп. К достоинствам лазерных гироскопов следует отнести прежде всего отсутствие вращающегося ротора, подшипников, подверженных действию сил трения.

Волоконно-оптические гироскопы

Значительные достижения в области разработки и промышленного выпуска световодов с минимальным значением погонного затухания и интегральных оптических компонентов привели к началу работ над волоконно-оптическим гироскопом (ВОГ), представляющим собой волоконно-оптический интерферометр, в котором распространяются встречные электромагнитные волны. Наиболее распространенный вариант ВОГ - многовитковая катушка оптического волокна. Достигнутые в лабораторных образцах точности ВОГ приближаются к точности КЛГ. ВОГ из-за простоты конструкции является одним из наиболее дешевых среднеточных гироскопов.

Волновые твердотельные гироскопы (ВТГ)

В основе функционирования волнового твердотельного гироскопа (ВТГ) лежит физический принцип, заключающийся в инертных свойствах упругих волн в твердом теле. Упругая волна может распространяться в сплошной среде как жесткое тело, не изменяя своей конфигурации. Такая частицеподобная волна называется солитоном и рассматривается как модельное воплощение корпускулярно-волнового дуализма: с одной стороны, это волна, с другой - неизменность конфигурации приводит к аналогии с частицей. Однако эта аналогия в некоторых явлениях простирается и дальше. Так, если возбудить стоячие волны упругих колебаний в осесимметричном резонаторе, то вращение основания, на котором установлен резонатор, вызывает поворот стоячей волны на меньший, но известный угол. Соответствующее движение волны как целого называется прецессией. Скорость прецессии стоячей волны пропорциональна проекции угловой скорости вращения основания на ось симметрии резонатора.

Резонатор ВТГ представляет собой тонкую упругую оболочку вращения, сделанную из плавленого кварца, сапфира или другого материала, обладающего малым коэффициентом потерь при колебаниях. Обычно форма оболочки - полусфера с отверстием в полюсе, поэтому ВТГ называется в литературе полусферическим резонаторным гироскопом. Один край резонатора (у полюса) жестко прикреплен к основанию (ножке). Другой край, называемый рабочим, свободен. На внешнюю и внутреннюю поверхности резонатора, около рабочего края, напыляются металлические электроды, которые образуют вместе с такими же электродами, нанесенными на окружающий резонатор кожух, конденсаторы. Часть конденсаторов служит для силового воздействия на резонатор. Вместе с соответствующими электронными схемами они образуют систему возбуждения колебаний и поддержания их постоянной амплитуды. С ее помощью в резонаторе устанавливают так называемую вторую форму колебаний, у которой стоячая волна имеет четыре пучности через каждые 90?. Вторая группа конденсаторов служит датчиками положения пучностей на резонаторе. Соответствующая (весьма сложная) обработка сигналов этих датчиков позволяет получать информацию о вращательном движении основания резонатора.

К достоинствам ВТГ относятся высокое отношение точность / цена, способность переносить большие перегрузки, компактность и небольшой вес, низкая энергоемкость, малое время готовности, слабая зависимость от температуры окружающей среды.

Вибрационные гироскоп

Вибрационные гироскопы основаны на свойстве камертона, заключающегося в стремлении сохранить плоскость колебаний своих ножек. Теория и эксперимент показывают, что в ножке колеблющегося камертона, установленного на платформе, вращающейся вокруг оси симметрии камертона, возникает периодический момент сил, частота которого равна частоте колебания ножек, а амплитуда пропорциональна угловой скорости вращения платформы. Поэтому, измеряя амплитуду угла закрутки ножки камертона, можно судить об угловой скорости платформы. Патент на вибрационный гироскоп принадлежит некоторым видам двукрылых насекомых, обладающих парой стержнеобразных придатков, называемых жужжальцами, которые вибрируют в полете с размахом до 75? и частотой около 500 Гц. При повороте туловища возникают колебания жужжалец в другой плоскости. Эти колебания воспринимаются особыми чувствительными клетками, расположенными в основании жужжалец и подающими команду на выравнивание корпуса насекомого. Система похожа на автопилот, в датчиках которого вращательное движение заменено на колебательное как на более естественное и экономичное для биологических систем.

Первые разработчики вибрационных гироскопов предрекали близкую смерть классическим гироскопам с вращающимся ротором. Однако более глубокий анализ показал, что вибрационные гироскопы отказываются работать в условиях вибрации, которая практически всегда сопровождает места установки приборов на движущихся объектах. Непреодолимой оказалась и проблема нестабильности показаний из-за сложностей высокоточного измерения амплитуды колебаний ножек. Поэтому идея чистого камертонного гироскопа так и не была доведена до прецизионного прибора, однако она стимулировала целое направление поисков новых типов гироскопов, использующих либо пьезоэлектрический эффект, либо вибрацию жидкостей или газов в хитро изогнутых трубках и т.п.

Список использованной литературы

1.Каргау, Л.И. Измерительные устройства летательных аппаратов [Текст] / Л.И. Каргау. - М., 1988. - 256 с.

2. Сифф, Э.Дж. Введение в гироскопию [Текст] / Э.Дж.Сифф. - М.: Наука, 1965. - 124 с.

3. Википедия [Электронный ресурс] / Свободная энциклопедия. - 21.12.2014. - Режим доступа. - URL: http://wikipedia.org.

Размещено на Allbest.ru

...

Подобные документы

Магнитоэлектрические датчики момента. Исследование математической модели динамически настраиваемого гироскопа с газодинамической опорой ротора, учитывающей угловую податливость скоростной опоры. Уравнения движения динамически настраиваемого гироскопа.

дипломная работа , добавлен 12.04.2014


Элементарное представление о гироскопе, его основные свойства, принцип работы и применение в технике. Теорема Резаля. Направление оси свободного гироскопа в инерциальной системе отсчета. Регулярная прецессия тяжелого гироскопа, правило Жуковского.

презентация , добавлен 09.11.2013


Волновые свойства света: дисперсия, интерференция, дифракция, поляризация. Опыт Юнга. Квантовые свойства света: фотоэффект, эффект Комптона. Закономерности теплового излучения тел, фотоэлектрического эффекта.

реферат , добавлен 30.10.2006


Общее понятие гироскопа, его важнейшие свойства. Основное допущение элементарной теории. Реакция гироскопа на внешние силы. Момент гироскопической реакции, сущность теоремы Резаля. Оценка воздействия мгновенной силы на направление оси гироскопа.

презентация , добавлен 30.07.2013


Волоконно-оптические линии связи как понятие, их физические и технические особенности. Основные составляющие элементы оптоволокна и его виды. Области применения и классификация волоконно-оптических кабелей, электронные компоненты систем оптической связи.

реферат , добавлен 16.01.2011


Фотоупругость - следствие зависимости диэлектрической проницаемости вещества от деформации. Волоконно-оптические сенсоры с применением фотоупругости. Фотоупругость и распределение напряжения. Волоконно-оптические датчики на основе эффекта фотоупругости.

курсовая работа , добавлен 13.12.2010


Лазерная обработка металлов. Лазерная связь и локация. Лазерные системы навигации и обеспечения безопасности полетов. Лазерные системы управления оружием. Газовые, полупроводниковые, жидкостные, газодинамические, кольцевые лазеры.

реферат , добавлен 10.05.2004


Оптические свойства стекол (показатель преломления, молярная и ионная рефракция, дисперсия). Оптические свойства и строение боросиликатных стёкол, которые содержат на поверхности наноразмерные частицы серебра и меди. Методы исследования наноструктур.

дипломная работа , добавлен 18.09.2012


Свойства сверхпроводящих материалов. Определение электрического сопротивления и магнитной проницаемости немагнитных зазоров. Падение напряженности магнитного поля по участкам. Условия для работы устройства. Применение эффекта Мейснера и его изобретение.

научная работа , добавлен 20.04.2010


Пьезоэлектрический эффект в кристаллах. Диэлектрики, в которых наблюдается пьезоэффект. Прямой и обратный эффект пьезоэлектриков. Сжатие пьезо-электрической пластинки. Основные виды поликристаллических пьезоэлектриков. Основные свойства пьезоэлектриков.

План:

Введение

• 1 История
• 2 Классификация
  • 2.1 Механические гироскопы
    • 2.1.1 Свойства двухосного роторного гироскопа
    • 2.1.2 Вибрационные гироскопы
      • 2.1.2.1 Принцип работы
      • 2.1.2.2 Разновидности
  • 2.2 Оптические гироскопы
• 3 Применение гироскопов в технике
  • 3.1 Системы стабилизации
  • 3.2 Новые типы гироскопов
  • 3.3 Перспективы развития гироскопического приборостроения
  • 3.4 Использование гироскопа в смартфонах и игровых приставках
• 4 Игрушки на основе гироскопа
• 5 Примечания
• 6 Литература
• 7 Кафедры
  • 8.1 Российская Федерация
  • 8.1.2 Украина
  • 8.2.3 США
  • 8.3.4 Франция
  • 8.4.5 Германия

Введение

Иллюстрация к основному свойству 3-степенного гироскопа (идеализированное функционирование).

Гироско́п (от др.-греч. γῦρος «круг» и σκοπέω «смотрю») - быстро вращающееся твёрдое тело, основа одноимённого устройства, способного измерять изменение углов ориентации связанного с ним тела относительно инерциальной системы координат, как правило основанное на законе сохранения вращательного момента (момента импульса).

Прецессия

Всё увеличивающаяся прецессия(по мере замедления маховика)

Анимация прецессии механического гироскопа.

1. История

Гироскоп, изобретённый Фуко (построил Дюмолен-Фромент, 1852)

Гироскоп на МАКС-2009

До изобретения гироскопа человечество использовало различные методы определения направления в пространстве. Издревле люди ориентировались визуально по удалённым предметам, в частности, по Солнцу. Уже в древности появились первые приборы: отвес и уровень, основанные на гравитации. В средние века в Китае был изобретён компас, использующий магнетизм Земли. В Европе были созданы астролябия и другие приборы, основанные на положении звёзд.

Гироскоп изобрёл Иоганн Боненбергер и опубликовал описание своего изобретения в 1817 году . Однако французский математик Пуассон ещё в 1813 году упоминает Боненбергера как изобретателя этого устройства . Главной частью гироскопа Боненбергера был вращающийся массивный шар в кардановом подвесе . В 1832 году американец Уолтер Р. Джонсон придумал гироскоп с вращающимся диском . Французский учёный Лаплас рекомендовал это устройство в учебных целях . В 1852 году французский учёный Фуко усовершенствовал гироскоп и впервые использовал его как прибор, показывающий изменение направления (в данном случае - Земли), через год после изобретения маятника Фуко, тоже основанного на сохранении вращательного момента . Именно Фуко придумал название «гироскоп». Фуко, как и Боненбергер, использовал карданов подвес. Не позднее 1853 года Фессель изобрёл другой вариант подвески гироскопа .

Преимуществом гироскопа перед более древними приборами является то, что он правильно работает в сложных условиях (плохая видимость, тряска, электромагнитные помехи). Однако гироскоп быстро останавливался из-за трения.

Во второй половине XIX века было предложено использовать электродвигатель для разгона и поддержания движения гироскопа. Впервые на практике гироскоп был применён в 1880-х годах инженером Обри для стабилизации курса торпеды. В XX веке гироскопы стали использоваться в самолётах, ракетах и подводных лодках вместо компаса или совместно с ним.

2. Классификация

Основные типы гироскопов по количеству степеней свободы:

• 2-степенные (интегрирующие, дважды интегрирующие, дифференцирующие)
• 3-степенные.

Основные два типа гироскопов по принципу действия:

• механические гироскопы,
• оптические гироскопы.

По режиму действия гироскопы делятся на:

• датчики угловой скорости,
• указатели направления.

Однако одно и то же устройство может работать в разных режимах в зависимости от типа управления.

2.1. Механические гироскопы

Схема простейшего механического гироскопа в карданном подвесе

Среди механических гироскопов выделяется ро́торный гироско́п - быстро вращающееся твёрдое тело (ротор), ось вращения которого способна изменять ориентацию в пространстве. При этом скорость вращения гироскопа значительно превышает скорость поворота оси его вращения. Основное свойство такого гироскопа - способность сохранять в пространстве неизменное направление оси вращения при отсутствии воздействия на неё моментов внешних сил.

Впервые это свойство использовал Фуко в 1852 г. для экспериментальной демонстрации вращения Земли. Именно благодаря этой демонстрации гироскоп и получил своё название от греческих слов «вращение», «наблюдаю».

2.1.1. Свойства двухосного роторного гироскопа

Прецессия механического гироскопа.

При воздействии момента внешней силы вокруг оси, перпендикулярной оси вращения ротора, гироскоп начинает поворачиваться вокруг оси прецессии, которая перпендикулярна моменту внешних сил.

Например, если позволить оси гироскопа двигаться только в горизонтальной плоскости, то ось стремится установиться по меридиану, при том так, что вращение прибора происходит так же, как и вращение Земли. Если же оси позволить двигаться вертикально (в плоскости меридиана), то она стремится установиться параллельно оси земли. Именно это замечательное свойство гироскопа и определило широкое применение прибора.

Данное свойство напрямую связано с возникновением так называемой кориолисовой силы. Так, при воздействии момента внешней силы гироскоп поначалу будет вращаться именно в направлении действия внешнего момента (нутационный бросок). Каждая частица гироскопа будет таким образом двигаться с переносной угловой скоростью вращения из-за момента. Но роторный гироскоп, помимо этого, и сам вращается, значит, каждая частица будет иметь относительную скорость. Следовательно, возникнет кориолисова сила, которая будет заставлять гироскоп двигаться в перпендикулярном приложенному моменту направлении, то есть прецессировать. Прецессия вызовет кориолисову силу, момент которой скомпенсирует момент внешней силы.

Гироскопический эффект вращающихся тел есть проявление коренного свойства материи - её инертности.

Упрощённо, поведение гироскопа описывается уравнением:

,

где векторы и являются, соответственно, моментом силы, действующей на гироскоп, и его моментом импульса, скаляр - его моментом инерции, векторы и угловой скоростью и угловым ускорением.

Отсюда следует, что момент силы , приложенный перпендикулярно оси вращения гироскопа, то есть перпендикулярный , приводит к движению, перпендикулярному как , так и , то есть к явлению прецессии. Угловая скорость прецессии гироскопа определяется его моментом импульса и моментом приложенной силы:

,

то есть обратно пропорциональна скорости вращения гироскопа.

2.1.2. Вибрационные гироскопы

Вибрационные гироскопы - устройства, сохраняющие свои колебания в одной плоскости при повороте. Данный тип гироскопов является намного более простым и дешёвым при сопоставимой точности по сравнению с роторным гироскопом. В зарубежной литературе также употребляется термин «Кориолисовы вибрирующие гироскопы» - так как принцип их действия основан на эффекте силы Кориолиса, как и у роторных гироскопов.
Например, вибрационные гироскопы применяются в системе измерения наклона электрического самоката Сигвей. Система состоит из пяти вибрационных гироскопов, чьи данные обрабатываются двумя микропроцессорами.
Именно данный тип гироскопов используется в мобильных устройствах, в частности, в iPhone 4

2.1.2.1. Принцип работы

Два подвешенных грузика вибрируют на плоскости в MEMS гироскопе с частотой .

При повороте гироскопа возникает Кориолисово ускорение равное , где - скорость и - угловая частота поворота гироскопа. Горизонтальная скорость колеблющегося грузика получается как: , а положение грузика в плоскости - . Внеплоскостное движение , вызываемое поворотом гироскопа равно:

где: - масса колеблющегося грузика. - коэффициент жёсткости пружины в направлении, перпендикулярном плоскости. - величина поворота в плоскости перпендикулярно движению колеблющегося грузика.

2.1.2.2. Разновидности

• Пьезоэлектрические гироскопы.
• Твердотельные волновые гироскопы .
• Камертонные гироскопы.
• Вибрационные роторные гироскопы
• МЭМС гироскопы.

2.2. Оптические гироскопы

Делятся на волоконно-оптические и лазерные гироскопы. Принцип действия основан на эффекте Саньяка и теоретически объясняется с помощью СТО. Согласно СТО скорость света постоянна в любой инерциальной системе отсчёта. В то время как в неинерциальной системе она может отличаться от c. При посылке луча света в направлении вращения прибора и против направления вращения разница во времени прихода лучей (определяемая интерферометром) позволяет найти разницу оптических путей лучей в инерциальной системе отсчёта, и, следовательно, величину углового поворота прибора за время прохождения луча.

3. Применение гироскопов в технике

Свойства гироскопа используются в приборах - гироскопах, основной частью которых является быстро вращающийся ротор, который имеет несколько степеней свободы (осей возможного вращения).

Чаще всего используются гироскопы, помещённые в карданов подвес (см. рис.). Такие гироскопы имеют 3 степени свободы, то есть он может совершать 3 независимых поворота вокруг осей АА" , BB" и CC" , пересекающихся в центре подвеса О , который остаётся по отношению к основанию A неподвижным.

Гироскопы, у которых центр масс совпадает с центром подвеса O , называются астатическими, в противном случае - статическими гироскопами.

Для обеспечения вращения ротора гироскопа с высокой скоростью применяются специальные гиромоторы.

Для управления гироскопом и снятия с него информации используются датчики угла и датчики момента.

Гироскопы используются в виде компонентов как в системах навигации (авиагоризонт, гирокомпас, ИНС и т. п.), так и в нереактивных системах ориентации и стабилизации космических аппаратов.

3.1. Системы стабилизации

Системы стабилизации бывают трех основных типов.

• Система силовой стабилизации (на 2-степенных гироскопах).

Для стабилизации вокруг каждой оси нужен один гироскоп. Стабилизация осуществляется гироскопом и двигателем разгрузки, в начале действует гироскопический момент, а потом подключается двигатель разгрузки.

• Система индикаторно-силовой стабилизации (на 2-степенных гироскопах).

Для стабилизации вокруг каждой оси нужен один гироскоп. Стабилизация осуществляется только двигателями разгрузки, но в начале появляется небольшой гироскопический момент, которым можно пренебречь.

• Система индикаторной стабилизации (на 3-степенных гироскопах)

Для стабилизации вокруг двух осей нужен один гироскоп. Стабилизация осуществляется только двигателями разгрузки.

3.2. Новые типы гироскопов

Постоянно растущие требования к точностным и эксплуатационным характеристикам гиро-приборов заставили ученых и инженеров многих стран мира не только усовершенствовать классические гироскопы с вращающимся ротором, но и искать принципиально новые идеи, позволившие решить проблему создания чувствительных датчиков для измерения и отображения параметров углового движения объекта.

В настоящее время известно более ста различных явлений и физических принципов, которые позволяют решать гироскопические задачи. В России и США выданы тысячи патентов и авторских свидетельств на соответствующие открытия и изобретения.

Поскольку прецизионные гироскопы используются в системах наведения стратегических ракет большой дальности, во время холодной войны информация об исследованиях, проводимых в этой области, классифицировалась как секретная.

Перспективным является направление развития квантовых гироскопов.

3.3. Перспективы развития гироскопического приборостроения

Сегодня созданы достаточно точные гироскопические системы, удовлетворяющие большой круг потребителей. Сокращение средств, выделяемых для военно-промышленного комплекса в бюджетах ведущих мировых стран, резко повысило интерес к гражданским применениям гироскопической техники. Например, сегодня широко распространено использование микромеханических гироскопов в системах стабилизации автомобилей или видеокамер.

По мнению сторонников таких методов навигации, как GPS и ГЛОНАСС, выдающийся прогресс в области высокоточной спутниковой навигации сделал ненужными автономные средства навигации (в пределах зоны покрытия спутниковой навигационной системы (СНС), то есть в пределах планеты). В настоящее время СНС системы по параметрам массы, габаритов и стоимости превосходят гироскопические.

Сейчас разрабатывается система навигационных спутников третьего поколения . Она позволит определять координаты объектов на поверхности Земли с точностью до единиц сантиметров в дифференциальном режиме, при нахождении в зоне покрытия корректирующего сигнала DGPS. При этом якобы отпадает необходимость в использовании курсовых гироскопов. Например, установка на крыльях самолета двух приемников спутниковых сигналов, позволяет получить информацию о повороте самолета вокруг вертикальной оси.

Однако системы GPS оказываются неспособны точно определять положение в городских условиях, при плохой видимости спутников. Подобные проблемы обнаруживаются и в лесистой местности. Кроме того прохождение сигналов СНС зависит от процессов в атмосфере, препятствий и переотражений сигналов. Автономные же гироскопические приборы работают в любом месте - под землёй, под водой, в космосе.

В самолётах GPS оказывается точнее акселерометров на длинных участках. Но использование двух GPS-приёмников для измерения углов наклона самолета даёт погрешности до нескольких градусов. Подсчёт курса путём определения скорости самолёта с помощью GPS также не является достаточно точным. Поэтому, в сегодняшних навигационных системах оптимальным решением является комбинация спутниковых и гироскопических систем, называемая интегрированной(комплексированной) ИНС/СНС системой.

За последние десятилетия, эволюционное развитие гироскопической техники подступило к порогу качественных изменений. Именно поэтому внимание специалистов в области гироскопии сейчас сосредоточилось на поиске нестандартных применений таких приборов. Открылись совершенно новые интересные задачи: разведка полезных ископаемых, предсказание землетрясений, сверхточное измерение положений железнодорожных путей и нефтепроводов, медицинская техника и многие другие.

3.4. Использование гироскопа в смартфонах и игровых приставках

Значительное удешевление производства МЭМС-гироскопов привело к тому, что они начинают использоваться в смартфонах и игровых приставках.

Появление МЭМС-гироскопа в новом смартфоне Apple iPhone 4 открывает новые возможности в 3D-играх и в формировании дополненной реальности . Уже сегодня, разные производители смартфонов и игровых приставкок собираются использовать МЭМС-гироскопы в своих продуктах. Вскоре появятся приложения на смартфонах и игровых приставках, которые сделают компьютерный экран окном в другой - виртуальный мир. Например в 3D-игре, пользователь перемещая смартфон или мобильную игровую консоль, увидит другие стороны игровой - виртуальной реальности. Поднимая смартфон вверх - пользователь увидит виртуальное небо, а опуская вниз - увидит виртуальную землю. Вращая по сторонам света - может осмотреться вокруг - внутри виртуального мира. Гироскоп даёт программе данные о том, как ориентирован смартфон относительно реального мира, а программа связывает эти данные с виртуальным миром. Таким же образом, но уже не в игре, можно использовать гироскоп для формирования дополненной реальности.

Так же гироскоп стал применяться в управляющих игровых контроллерах, таких как: Sixaxis для Sony PlayStation 3 и Wii MotionPlus для Nintendo Wii. В обоих перечисленных контроллерах использованы два дополняющих друг друга, пространственных сенсора: акселерометр и гироскоп . Впервые игровой контроллер, умеющий определять своё положение в пространстве, был выпущен компанией Nintendo - Wii Remote для игровой приставки Wii, но в нем используется только трёхмерный акселерометр. Трёхмерный акселерометр не способен давать точное измерение параметров вращения при высокодинамичных движениях. И именно поэтому в новейших игровых контроллерах: Sixaxis и Wii MotionPlus, кроме акселерометра, был использован дополнительный пространственный сенсор - гироскоп .

4. Игрушки на основе гироскопа

Самыми простыми примерами игрушек, сделанных на основе гироскопа, являются йо-йо, волчок (юла) и модели вертолетов.
Волчки отличаются от гироскопов тем, они не имеют ни одной неподвижной точки.
Кроме того, существует спортивный гироскопический тренажёр.

5. Примечания

1. Johann G. F. Bohnenberger (1817) «Beschreibung einer Maschine zur Erläuterung der Gesetze der Umdrehung der Erde um ihre Axe, und der Veränderung der Lage der letzteren» («Описание машины для объяснения законов вращения Земли вокруг своей оси и изменения направления последней») Tübinger Blätter für Naturwissenschaften und Arzneikunde , vol. 3, pages 72-83. В интернете: http://www.ion.org/museum/files/File_1.pdf - www.ion.org/museum/files/File_1.pdf
2. Simeon-Denis Poisson (1813) «Mémoire sur un cas particulier du mouvement de rotation des corps pesans» («Статья об особом случае вращательного движения массивных тел»), Journal de l"École Polytechnique , vol. 9, pages 247-262. В интернете: http://www.ion.org/museum/files/File_2.pdf - www.ion.org/museum/files/File_2.pdf
3. Фото гироскопа Боненбергера: http://www.ion.org/museum/item_view.cfm?cid=5&scid=12&iid=24 - www.ion.org/museum/item_view.cfm?cid=5&scid=12&iid=24
4. Walter R. Johnson (January 1832) "Description of an apparatus called the rotascope for exhibiting several phenomena and illustrating certain laws of rotary motion, " The American Journal of Science and Art , 1st series, vol. 21, no. 2, pages 265-280. В интернете: http://books.google.com/books?id=BjwPAAAAYAAJ&pg=PA265&lpg=PR5&dq=Johnson+rotascope&ie=ISO-8859-1&output=html - books.google.com/books?id=BjwPAAAAYAAJ&pg=PA265&lpg=PR5&dq=Johnson rotascope&ie=ISO-8859-1&output=html
5. Illustrations of Walter R. Johnson’s gyroscope («rotascope») appear in: Board of Regents, Tenth Annual Report of the Board of Regents of the Smithsonian Institution…. (Washington, D.C.: Cornelius Wendell, 1856), pages 177-178. В интернете: http://books.google.com/books?id=fEyT4sTd7ZkC&pg=PA178&dq=Johnson+rotascope&ie=ISO-8859-1&output=html - books.google.com/books?id=fEyT4sTd7ZkC&pg=PA178&dq=Johnson rotascope&ie=ISO-8859-1&output=html
6. Wagner JF, "The Machine of Bohnenberger, " The Institute of Navigation. В интернете: http://www.ion.org/museum/item_view.cfm?cid=5&scid=12&iid=24 - www.ion.org/museum/item_view.cfm?cid=5&scid=12&iid=24
7. L. Foucault (1852) "Sur les phénomènes d’orientation des corps tournants entraînés par un axe fixe à la surface de la terre, " Comptes rendus hebdomadaires des séances de l’Académie des Sciences (Paris) , vol. 35, pages 424-427. В интернете: http://www.bookmine.org/memoirs/pendule.html - www.bookmine.org/memoirs/pendule.html . Scroll down to «Sur les phénomènes d’orientation …»
8. (1) Julius Plücker (September 1853) "Über die Fessel’sche rotationsmachine, " Annalen der Physik , vol. 166, no. 9, pages 174-177; (2) Julius Plücker (October 1853) "Noch ein wort über die Fessel’sche rotationsmachine, " Annalen der Physik , vol. 166, no. 10, pages 348-351; (3) Charles Wheatstone (1864) "On Fessel’s gyroscope, " Proceedings of the Royal Society of London , vol. 7, pages 43-48. В интернете: http://books.google.com/books?id=CtGEAAAAIAAJ&pg=RA1-PA307&lpg=RA1-PA307&dq=Fessel+gyroscope&source=bl&ots=ZP0mYYrp_d&sig=DGmUeU4MC8hAMuBtDSQn4GpAyWc&hl=en&ei=N4s9SqOaM5vKtgf62vUH&sa=X&oi=book_result&ct=result&resnum=9 - books.google.com/books?id=CtGEAAAAIAAJ&pg=RA1-PA307&lpg=RA1-PA307&dq=Fessel gyroscope&source=bl&ots=ZP0mYYrp_d&sig=DGmUeU4MC8hAMuBtDSQn4GpAyWc&hl=en&ei=N4s9SqOaM5vKtgf62vUH&sa=X&oi=book_result&ct=result&resnum=9 .
9. Lynch D.D. HRG Development at Delco, Litton, and Northrop Grumman //Proceedings of Anniversary Workshop on Solid-State Gyroscopy (19-21 May, 2008. Yalta, Ukraine). - Kyiv-Kharkiv. ATS of Ukraine. 2009. - ISBN 978-976-02-5248-6.
10. Sarapuloff S.A. 15 Years of Solid-State Gyrodynamics Development in the USSR and Ukraine: Results and Perspectives of Applied Theory //Proc. of the National Technical Meeting of US Institute of Navigation (ION) (Santa Monica, Calif., USA. January 14-16,1997). - P.151-164.
11. Статья на сайте deepapple.com:«Тайна чипа AGD1 раскрыта, или Гироскоп iPhone 4 под рентгеном» - deepapple.com/news/37653.html
12. Форум IT-профессионалов. Статья:«Гироскоп в смартфоне откроет окно в новое измерение» - habrahabr.ru/blogs/games/95788/

6. Литература

• Бороздин В. Н. Гироскопические приборы и устройства систем управления: Учеб. пособие для ВТУЗов., М., Машиностроение, 1990.
• Меркурьев И.В., Подалков В.В. Динамика микромеханического и волнового твердотельного гироскопов. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2009. - 228 с. - ISBN 978-5-9221-1125-6
• Гироскопические системы / Под ред. Д. С. Пельпора. В 3 ч. М.: Высш. шк., 1986-1988. Ч. 1: Теория гироскопов и гироскопических стабилизаторов.1986; Ч. 2: Гироскопические приборы и системы. 1988; Ч. 3: Элементы гироскопических приборов. 1988
• Павловский М. А. Теория гироскопов: Учебник для ВУЗов., Киев, Вища Школа, 1986.
• Сивухин Д. В. Общий курс физики. - Издание 5-е, стереотипное. - М .: Физматлит, 2006. - Т. I. Механика. - 560 с. - ISBN 5-9221-0715-1

7. Кафедры

8.1. Российская Федерация

• Сайт каф. «Автоматика и электронное приборостроение» КАИ им. А. Н. Туполева - au.kai.ru
• Сайт каф. «Приборы и системы ориентации, стабилизации и навигации» МГТУ им. Н.Э Баумана - iu2.bmstu.ru
• Сайт каф. «Автоматизированные комплексы ориентации и навигации» Московского авиационного института - www.mai.ru/colleges/fac_3/kaf/k305/
• Сайт каф. «Информационно-навигационных систем» СПбГУ ИТМО - www.elektropribor.spb.ru/IFMO/index.html
• Сайт каф. «Теоретической механики» СГАУ - пособие Петрищев В. Ф. «Элементы теории гироскопа и его применение для управления космическими аппаратами» - www.termech.ru/index.php?option=com_content&task=view&id=71&Itemid=36
• Официальный сайт «Института Энергомашиностроения и Механики», Московского Энергетического Института (ТУ) - www.enmi.ru/
• Сайт каф. «Приборы и системы ориентации, стабилизации и навигации» ТулГУ - www.gyroscopes.ru/?id=33
• Сайт каф. «Приборостроение» СГТУ - sstu.ru/node/3062
• Сайт кафедры «Приборостроение» ЮУрГУ - instrcon.susu.ac.ru/

8.1.2. Украина

• Сайт каф. "Приборы и системы управления летательными аппаратами, НТУУ «КПИ» - www.faks.ntu-kpi.kiev.ua/pskla/
• Сайт каф. «Приборы и системы ориентации и навигации», НТУУ «КПИ» - pson.kiev.ua/
• Сайт каф. «Системы управления летательными аппаратами» ХАИ им. Н. Е. Жуковского - k301.info

Сегодня разговаривал с одним человеком и в который раз убедился, что очень немногие люди, особенно с гуманитарным образованием, представляют себе что же такое гироскопический эффект. Постараемся разобраться.

Итак, формулировка: гироскопический эффект - способность быстро вращающегося тела удерживать своё положение в пространстве в плоскости своего вращения.
Гироскоп - быстро вращающееся твёрдое тело, способное измерить изменение углов ориентации связанного с ним тела относительно движущейся системы координат. Не будем углябляться в законы сохранения моментов импульса. Давайте просто представим что это такое.
В детстве у всех была юла? Если её раскрутить стоя, то затем она не желает падать. Это и есть гироскопический эффект.
На велосипеде многие катались? А может быть сейчас катаетесь? Колесо - вращающееся тело, диск, который так же желает удержать Вас и велосипед, на котором Вы сидите, в вертикальном положении. Именно поэтому Вы не падаете, когда едете, никак не за счет своего отличного равновесия. Ваше равновесие включается только на очень малых скоростях.
А задумывались когда-нибудь как пилот самолёта определяет угол наклона относительно горизонта? В самолёте установлен такой же прибор - гироскоп. Это один или несколько очень быстро вращающихся дисков. Как бы самолёт не наклонялся, гироскопы всегда находятся в одном положении.

Как видите, гироскопический эффект повсюду вокруг нас и мы сталкиваемся с ним изо дня в день. Обидно, что многие проживают жизнь и так никогда не замечают вокруг таких вещей.

Ещё одно очень интересное свойство гироскопического эффекта - сопротивление изменению оси его вращения или прецессия гироскопа. Что это такое? Это наклон гироскопа в плоскости, отстающей на 90 градусов (кто изучал электричество, то должен узнать опрежение и отставание тока в реактивных элементах от напряжения (электрического давления)) по направлению вращения, относительно плоскости приложения силы (о как, сам определение написал). Пример? Хорошо. Едет велосипедист, едет прямо. Тут велосипедист желает повернуть налево, тянет руль левой рукой на себя, а правой от себя. Втулка поворачивает ось вращения переднего колеса... если в этот момент посмотреть на велосипедиста сверху, то колесо имеет вид линии и должно просто поворачиваться против часовой стрелки. Всё это так и есть, но велосипедист начинает валиться на левый бок. Снова, вопреки расхожему мнению, это происходит не от того, что Вы хотите скомпенсировать силу энерции, которая повалит Вас направо. Это от того, что происходит прецессия. И как плюс, да, Вы компенсируюте силу энерции на повороте. Если ли бы эффект прецесии отсутствовал, то для Вас оказалось бы большой проблемой сознательно заваливаться на левый бок и Вы бы гораздо чаще падали. К тому же, здесь от падения Вас снова спасает гироскопический эффект, который жержит вас под наклоном к плоскости дороги. Клёво? Конечно же! :)
Так же, прецессию можно наблюдать в виде спиралеобразного движения оси, когда ваша юла начинает заваливаться на бок.
Если прецессию начать удерживать, то в юси создаются довольно сильные напряжения. Потому подумайте, почему при езде на велосипеде на большой скорости так тяжело резко повернуть руль. Если в велоспеде это напряжение компенсируется вашим наклоном, то в автомобиле колесо не наклоняется... Представьте какие напряжения возникают на ступице, когда на скорости 120 км/ч Вы резко дергаете руль? Ага... Если у кого-то есть PowerBall, то можете проверить это на себе лично, когда устанет рука.
Помимо прецессии у гироскопов существуют нутации - это небольшие колебания, наложенные на линию прецессии. Кто в интересовался астрономией и нашей (и не только) планетой, тот поймет, что у Земли с гироскопом очень много общего. Есть и прецессии и нутации... Из-за прецессии наша Полярная звезда скоро перестанет быть полярной. Из-за нутаций периодически меняются координаты звёзд на небе в экваториальной системе отсчёта... но это уже другая история. Об этом как-нибудь в другой раз.

Хотел найти в интернете видео, чтобы показать что к чему, но что-то более или менее годное нашел только на английском языке. Если кто понимает, то очень здорово. Лично мне всё понятно, с английским, благо, проблем нет. :) Кто не понимает, то хоть посмотрит.

Вообще, типов гироскопов достаточно много. Я описал обычный роторный гироскоп, но принцип действия всех гироскопов всё равно остаётся единым.

Кстати, когда создавал пост, то высветилась надпись, что пост с таким названием уже создавался. Открыл, посмотрел... и знаете про что там? Как ездить на заднем колесе на мотоцикле... Причем какая там взаимосвязь с гироскопическим эффектом как-то непонятно из сообщения.

Просто обращайте почаще внимание на то, что происходит вокруг. :) Человек, который это делает, и на дороге видит ВСЁ, контролирует ситуацию, и в итоге будет вежливей. Любовь к другим начинается с любви к новому.

Муниципальное образовательное учреждение

Средняя образовательная школа №4 им. .

Гироскопические эффекты в природе.

Руководители: , доцент кафедры общей

физики ТГПУ,

, учитель физики школы № 4.

Томск - 2007
Введение

Цель работы: ознакомить читателя с понятием «гироскоп », его «физикой» и показать яркие примеры проявления гироскопического эффекта в живой и неживой природе.

Простейшим примером гироскопа является игрушечный волчок. Его поведение в высшей степени удивительно. Как объяснить, в самом деле, то, что вертящийся волчок, поставленный отвесно или даже наклонно, не опрокидывается? Какая сила удерживает его в таком, казалось бы, неустойчивом положении? Разве сила тяжести на него не действует? Если волчок не вертится, то заставить его удержаться на оси невозможно. Именно о волчках, а точнее о гироскопах пойдет речь в данной работе.

Итак, гироскоп (от греческого gyros – круг, gyreuo – кружусь, вращаюсь и skopeo – смотрю, наблюдаю) – быстро вращающееся симметричное твердое тело, ось вращения которого (ось симметрии) может изменять свое направление в пространстве. Гироскоп обладает рядом интересных свойств, наблюдаемых у вращающихся небесных тел, артиллерийских снарядов, детского волчка, роторов турбин, установленных на судах, и т. д. На свойствах гироскопа основаны разнообразные устройства и приборы, широко применяющиеся в современной технике. Но применение гироскопов в технике достаточно широко освещены практически во всех курсах общей физики. В данной же работе сделана попытка рассмотреть проявление этого эффекта в природе.

Тайна волчка

Когда волчок вращается строго вертикально, сила тяжести, приложенная к противоположным точкам https://pandia.ru/text/80/155/images/image003_88.gif" width="16" height="17 src=">, одинакова по величине и имеет равные плечи относительно оси вращения волчка, проходящей через точку опоры . Поэтому она создает для каждой пары точек вращающегося волчка одинаковые опрокидывающие усилия – моменты силы относительно точки опоры. В результате волчок продолжает вращаться вертикально и устойчиво из-за сохранения момента импульса.

Иное дело, когда волчок закручен так, что его ось наклонена..gif" width="16" height="17 src=">, по-прежнему равны по величине, но их плечи относительно вертикальной линии, проходящей через точку опоры , теперь разные!

Результирующий момент этих сил пытается опрокинуть волчок..gif" width="16" height="17 src=">, обусловленному их вращением, добавляется небольшой по сравнению с ним импульс, направленный вниз. Результирующий импульс заставляет ось волчка вращаться в ту же сторону, что и сам волчок. Такое движение оси волчка под действием внешней силы называется прецессией. Под действием силы тяжести ось будет отклоняться не в сторону этой силы, т. е. не вниз, а в перпендикулярном к ней направлении и прецессировать вокруг вертикали.

Но прецессия – не единственное возможное движение волчка. Она наблюдается в чистом виде, только если волчок запущен очень аккуратно, без толчков. В противном случае ось волчка описывает еще циклоиду (кривую, которую описывает точка колеса автомобиля при его движении без проскальзывания). Такое, похожее на колебание, движение волчка именуется нутацией. Обычно оно очень быстрое и незаметное для глаз движение, к тому же оно быстро затухает за счет неизбежного трения в точке крепления оси.

Свободный гироскоп

Если внимательно наблюдать за работой жонглера, то можно заметить, что, подбрасывая предметы, он придает им вращение. Только в этом случае булавы , тарелки, шляпы будут возвращаться ему в руки в том положении, которое им было придано. Нарезное оружие дает лучшую точность и большую дальность, чем гладкоствольное. Выпущенный из орудия артиллерийский снаряд вращается вокруг своей продольной оси, и поэтому его полет является устойчивым.

Так же ведет себя и гироскоп. Обычно ось вращения выбирают так, чтобы момент инерции относительно этой оси был максимальным. Тогда вращение наиболее устойчиво.

Для создания свободного гироскопа в технике используют карданов подвес. Он представляет собой две кольцевые обоймы, которые входят одна в другую и могут вращаться относительно друг друга. Точка пересечения всех трех осей совпадет с положением центра масс гироскопа https://pandia.ru/text/80/155/images/image012_21.jpg" alt="Рис. 10.3." width="110" height="123">

Гироскоп в кардановом подвесе

Если гироскоп привести в быстрое вращение относительно оси и после этого пытаться повернуть подвес, то ось гироскопа стремится сохранить свое положение неизменным. Причина такой устойчивости вращения связана с законом сохранения момента импульса. Так как момент внешних сил мал, то он не в состоянии заметно изменить момент импульса гироскопа. Ось вращения гироскопа, с направлением которой вектор момента импульса почти совпадает, не отклоняется далеко от своего положения, а лишь дрожит, оставаясь на месте.

Это свойство гироскопа находит широкое практическое применение. Летчику, например, необходимо всегда знать истинное положение земной вертикали по отношению к положению самолета в данный момент. Обыкновенный отвес для этой цели не годится: при ускоренном движении он откланяется от вертикали. Применяют быстро вращающиеся гироскопы в кардановом подвесе. Если ось вращения гироскопа установить так, чтобы она совпадала с земной вертикалью, то, как бы самолет не изменял свое положение в пространстве, ось сохранит направление вертикали. Такое устройство носит название гирогоризонта.

Если гироскоп находится во вращающейся системе, то его ось устанавливается параллельно оси вращения системы. В земных условиях это проявляется в том, что ось гироскопа, в конце концов, устанавливается параллельно оси вращения Земли, указывает направление север-юг. В морской навигации такой гироскопический компас является совершенно незаменимым прибором.

Подобное, на первый взгляд странное поведение гирокомпаса тоже находится в полном согласии с законом сохранения момента импульса.

Пусть на гироскоп действует вращающий момент N , создаваемый парой сил F 1 и F 2 . Он вызовет приращение момента импульса ∆ L , так что новый момент импульса гироскопа будет равен: L / = L + ∆ L .

Направление вектора L / и будет определять новое направление оси гироскопа. Таким образом, гироскоп будет поворачиваться вокруг прямой так, чтобы угол между направлениями векторов L и N уменьшался. Ось гироскопа при этом стремится совместиться с осью вынужденного вращения . Для гирокомпаса осью вынужденного вращения является ось вращения Земли.

карданова подвеса", то соответствующая вращательная степень свободы исчезнет. Мы получим гироскоп с двумя степенями свободы. Его свойства совершенно другие. При вращении гироскопа относительно одной из осей он не будет "сопротивляться", т. е. будет вести себя как обычный диск, одна из осей которого закреплена в подшипниках кольца.

https://pandia.ru/text/80/155/images/image018_17.gif" width="20" height="14 src="> гироскопа действует сила F , направленная против оси https://pandia.ru/text/80/155/images/image020_12.gif" width="20" height="17">. Данный момент стремится повернуть гироскоп относительно оси послушным".

Закрепим вертикальную ось гироскопа и поставим его на вращающийся диск, прикрепим прочно подставку гироскопа к диску. При вращении диска с гироскопом можно убедиться в том, что ось гироскопа стремится повернуться так, чтобы направления вращения диска и гироскопа совпадали. При вращении диска гироскопу через подставку и вертикальную ось передается момент сил N , направление которого параллельно оси вращения диска. Этот момент может вызывать только вращение вокруг горизонтальной оси до тех пор, пока ось вращения гироскопа не совпадает по направлению с моментом N , с направлением оси вращения диска, или стержень гироскопа дойдет до упора.

https://pandia.ru/text/80/155/images/image022_11.gif" width="19" height="23">, совпадающий по направлению с ωг , а ωг лежит обязательно в указанной выше плоскости.

https://pandia.ru/text/80/155/images/image024_7.jpg" alt="Прецессия Земли" width="195" height="175">

Как возникает прецессия Земли?

Данный вопрос можно было бы и не раскрывать, ограничившись данностью. Но он интересен, поскольку в некоторой степени затрагивает теорию гравитации.

Земля представляет из себя почти сферический гироскоп. Прецессия у гироскопа возникает тогда, когда к оси приложен момент, стремящийся наклонить эту ось. Но Солнце тянет Землю к себе целиком, что никак не создает момент на ось. Тогда как?

Здесь мы невольно должны обратиться к торсионным (крутящим) полям. Таковое имеется и у звезды, и у планеты, поскольку они вращаются вокруг собственных осей. Любое, сколько-нибудь значительное тело, став на орбиту вокруг намного более массивного тела, начнет вращаться вокруг своей оси. В идеальных условиях это вращение будет направлено в ту же сторону, что и полет по орбите (как шарик в подшипнике). Да еще и ось расположиться перпендикулярно к плоскости орбиты. Если же тело стало на орбиту, уже имея собственное вращение, то звезда попытается выправить его ось. Вот здесь и появится момент, вызывающий прецессию.

Земля своим торсионным полем цепляется за торсионное поле Солнца.

Механизм сдвига литосферы

Ответ прост - эксцентриситет прецессии. Ось Земли описывает не круг - она рисует довольно замысловатую траекторию. Чтобы ее изобразить, воспользуемся старым добрым Бейсиком.

На рисунке зеленым цветом изображена траектория Земной оси, а серым - траектория идеальной «круглой» прецессии.

Теперь давайте уделим внимание «жирным» отметкам на траектории прецессии. В их районе Земная ось меняет направление движения по отношению к центру окружности идеальной прецессии. Т. е. удалялась, а затем стала приближаться и наоборот. Масса внутренней части Земли гораздо больше массы литосферы - именно мантия с ядром есть главный планетарный гироскоп. Гироскоп этот строго отслеживает прецессию, а относительно легкая литосфера, не успевая за огромной массой, проскальзывает. Это и есть смещение Земной коры с ее материками и океанами. Области смещения находятся на максимумах и минимумах циклов 41000 лет.

Откуда берется цикл 41000 лет?

Наука, отвечая на поставленный вопрос, отговаривается общими фразами - типа от гравитационного воздействия тел в Солнечной системе.

У Земли есть еще один прецессионный цикл – 16000 лет . Только если сложить две прецессии (26000 и 16000 лет) можно получить действительную траекторию Земной оси по циклу 41000 лет.

Возникает резонный вопрос: А откуда берется этот загадочный цикл? Чтобы понять его «физику», придется вернуться к гироскопам. Именно к гироскопам, а не гироскопу. Литосфера и мантия Земли есть сферический гироскоп, внутри которого спрятан еще один, состоящий из внутреннего ядра. Этот гироскоп тоже имеет прецессию – как раз с периодом 16000 лет. Вращается он чуть медленнее, ось совпадает с осью планеты.

Почему гироскопы на одной оси? Здесь работает правило низшего гироскопа, согласно которого он стремиться расположить свою ось в параллель высшему. Наружный гироскоп имеет большую распределенную массу, потому он высший.

Почему внутренний гироскоп имеет меньшие обороты? Если поместить ядро, отдельно от оболочки, на орбиту Земли, то оно тут же захочет улететь на более высокую орбиту из-за меньшей массы при равных скоростях. Есть два способа удержать ядро на орбите – затормозить или уменьшить обороты (что тоже приведет к торможению). Просто затормозить в нашем случае нельзя – скорость на орбите общая для ядра и мантии с литосферой. Остается только замедлять осевое вращение. Но сильно его замедлить нельзя из-за наличия внешнего ядра, которое частично передает внутреннему ядру вращательный момент от мантии. Итог – дрейф магнитного поля около 26 км. в год вокруг географической оси.

Взаимодействие между гироскопами осуществляется в основном при помощи торсионных полей, но задействован и расплав наружного ядра (он имеет вязкость и магнитные свойства). При этом каждый гироскоп стремиться к своей «родной» прецессии, но сойти с общей оси гироскопы не могут. Вот она жизнь Земли - борьба ядра с мантией и литосферой. Компромисс, конечно, находится, иначе нас просто не существовало бы.

В какой-то степени наружный гироскоп «соглашается» отклонить общую ось планеты – в результате мы имеем «неправильную», т. е. не круглую, траекторию по циклу 41000 лет. Но отклонение это очень небольшое. Внутренний гироскоп, со своей стороны, «соглашается» на это малое. Только куда девать лишнюю энергию? Она ведь не может расходоваться на уход с общей оси. А ее много. Вполне достаточно, чтобы разложить планету на мелкие осколки. Эту энергию ядро расходует на создание магнитного поля планеты!

Гироскопы в живой природе

Кошачий «гироскоп»

Кошки могут так ориентировать свое тело в пространстве, чтобы приземляться на все четыре лапы и при этом не получать слишком тяжелых травм. Это возможно только при наличии совершенного органа равновесия, который в технике называют "гироскопом". Кошки обладают великолепным "гироскопом", а располагается он во внутреннем ухе, по соседству с улиткой - органом слуха. Называется этот кошачий "гироскоп" вестибулярным аппаратом.

Жужжальца

Уже давно зоологов интересовал один загадочный орган у двукрылых насекомых - жужжальца. Каково его назначение? Только ли для жужжания? Ответ теперь найден. Оказалось, что без жужжалец насекомое не может летать по прямой.

Муха с изображением одного из жужжальцев

Во время полета жужжальца вибрируют. Всякий раз, когда изменяется направление полета, черенок жужжальца вытягивается, и насекомое тут же выравнивает путь полета. Когда этот секрет насекомых был открыт, его использовали для создания важного прибора - вибрационного гироскопа. Он очень чувствителен и мгновенно определяет изменение полета у сверхзвуковых самолетов. Обычный же гироскоп “волчок” в этом случае работает неточно. Прибор, заимствованный инженерами у живой природы, оказался куда лучше.

Муха обычно способна проделывать такие высокоскоростные авиационные маневры, которые уже давно поражают умы авиаконструкторов и инженеров. Если мужская особь мухи меняет свой курс всего за 30 миллисекунд!

Эволюционисты полагают, что сегодняшние мухи произошли от четырёхкрылых предков, из которых два расположенных сзади крыла стали "рудиментарными" или уменьшились вследствие своей функции полета, чтобы стать жужжальцами.

Конечно же, нет никакой научной причины отрицать, что жужжальца сами по себе являются хорошо разработанными и эффективными органами. Они давно известны как выполняющие функцию стабилизаторов полета, подобно гироскопам на самолетах, которые предотвращают чрезмерный переворот через крыло, наклон самолета относительно поперечной оси или отклонение от курса. Частично это происходит вследствие того, что жужжальца в основном делают взмахи в противоположной фазе по отношению к фактическим крыльям. Но так как такая функция стабилизации должна была бы заставлять муху продолжать лететь прямо, то как же тогда мухе удаётся "отключать" эту гироскопическую функцию, чтобы так быстро изменить свой курс?

Исследователю Доктору Майклу Дикинсону из Университета Калифорнии в Беркли, и его многим коллегам уже давно известно, что мухи исполняют свои сложные фигуры полета в ответ на визуальные раздражители. Сложные эксперименты, в которых мухи были привязаны в небольших корсетах, показали, что изображения, воспринятые зрительно-мозговой системой мухи, вызывают автоматические изменения в активности крыла.

Также, Доктор Коул Гилберт из Университета Корнел показал, что соответствующее положение головы мухи относительно ее тела также посылает информацию крыльям и жужжальцам. Все это указывает на нейронную сеть, расположенную как снаружи, так и в мозге насекомого, которая способна к чрезвычайно сложным и изощрённым последовательным действиям, которые просто затмевают наши существующие технологии. Доктор Дикинсон говорит: «С технической точки зрения, это более разумно и более эффективно. Таким образом, вы никогда не выключаете ваш стабилизатор – он настроен так, что нервная система управляет его механикой каждое мгновение».

Заключение

В данной работе сделан обзор литературы по гироскопам и их применению, а также наблюдению гироскопических эффектов в природе. Мною был поставлен ряд экспериментов по наблюдению гироскопических эффектов, которые можно показывать в школах.

Итак, прочитав этот доклад, вы, конечно, не узнали все о гироскопах, но я все-таки надеюсь, что его изначальная цель была выполнена. И если это так, то мой труд не был напрасен. И, быть может, эта информация не была полезна вам сейчас, но может когда-нибудь пригодится, ведь «знание – сила».

Список литературы

1. Стрелков. М.: Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1956.

2. Энциклопедия для детей. М.: Аванта, 2000.

3. http://airboat. fatal. ru/st/fmk1.htm

4. http://media. karelia. ru/~mechanics/open/phys/do/mech/lectures

5. http://origins. /page. php? id_story=194

6. http://www. /Bse/A-GOGO/0637.htm