Гироскоп
Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Гироско́п — устройство, способное измерять изменение углов ориентации связанного с ним тела относительно инерциальной системы координат.
Основные типы гироскопов по количеству степеней свободы:
- 2х-степенные,
- 3х-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.
Среди механических гироскопов выделяется ро́торный гироско́п — быстро-вращающееся твёрдое тело, 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 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».
Содержание |
[править] Свойства роторного гироскопа
При воздействии по оси чувствительности момента внешней силы, стремящейся изменить направленность в пространстве оси собственного вращения, эта ось гироскопа начинает отклоняться не по оси действия момента, а по перпендикулярной ей. В результате этого, гироскоп вращается вокруг измерительной оси, перпендикулярной направлению вектора приложенного момента (явление прецессии).
Данное свойство напрямую связано с возникновением так называемой кориолисовой силы. Так, при воздействии момента внешней силы гироскоп поначалу будет вращаться именно в направленнии 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 перпендекулярном приложенному моменту направлению 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 τ и L являются, соответственно, моментом силы, действующей на гироскоп, и его моментом импульса, скаляр I — его моментом инерции, векторы ω и α угловой скоростью и угловым ускорением.
Отсюда следует, что моментом силы τ, приложенный перпендикулярно оси вращения гироскопа, то есть перпендикулярный L, приводит к движению, перпендикулярному как τ, так и L, то есть к явлению прецессии. Угловая скорость прецессии ΩP гироскопа определяется его моментом импульса и моментом приложенной силы:
-
,
то есть ΩP обратно пропорциональна скорости вращения гироскопа.
[править] 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, размещённые в карданном (кардановом) подвесе (см. рис.). Такие гироскопы имеют 3 степени свободы, т.е. он может совершать 3 независимых поворота вокруг осей АA', 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 — тяжёлыми 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 (гирокомпасы и т.п.), так и в нереактивных системах ориентации и стабилизации космических аппаратов.
[править] Новые типы гироскопов
Постоянно растущие требования к точностным и эксплутационным 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. Даже их беглое перечисление представляет невыполнимую задачу. 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». Для открытой же публикации, порой, подготавливались фальсифицированные данные.
[править] Перспективы развития гироскопостроения
Сегодня созданы настолько точные гироскопические системы, что дальнейшего повышения точностей многим потребителям уже не требуется, а сокращение средств, выделяемых для военно-промышленного комплекса в бюджетах ведущих мировых стран, резко повысило интерес к гражданским применениям гироскопической техники, которые были ранее на периферии внимания разработчиков. Например использование микромеханических гироскопов для систем стабилизации движения автомобилей или видеокамер.
В то же время выдающийся прогресс в области высокоточной спутниковой навигации GPS и ГЛОНАСС, по мнению сторонников этих методов навигации, сделал ненужными автономные средства навигации в тех случаях, когда сигнал со спутника может приниматься непрерывно. Дело в том, говорят они, что разрабатываемая сейчас система навигационных спутников третьего поколения позволит определять координаты объектов на поверхности Земли с точностью до единиц сантиметров. При этом якобы отпадает необходимость в использовании даже курсовых гироскопов, ибо сравнение показаний двух приемников спутниковых сигналов, установленных на расстоянии в несколько метров, например, на крыльях самолета, позволяет получить информацию о повороте самолета вокруг вертикальной оси. Такая система, как они считают, оставляет не у дел десятки тысяч работников предприятий, выпускающих гироскопы для самолётов и морских кораблей.
Однако на деле системы GPS оказываются неспособны сколь-либо точно определять положение в городских условиях, при плохой видимости спутников. Такие же проблемы обнаруживаются в лесистой местности. Даже в самолётах GPS, хотя и оказывается точнее акселерометров на длинных участках, даёт большие погрешности как при измерении углов посредством использования 2 GPS-приёмников (иногда даже градусы), так и при подсчёте курса путём определения скорости самолёта (погрешность на угол скольжения). Поэтому в навигационных системах оптимальным решением, сейчас, является комбинация гироскопической системы и GPS.
В силу перечисленных обстоятельств эволюционное развитие гироскопической техники за последние десятилетия подступило к порогу качественных изменений и, именно поэтому, внимание специалистов в области гироскопии сосредоточилось сейчас на поиске нестандартных применения таких приборов. Открылись совершенно новые интересные задачи. Это и разведка полезных ископаемых, и предсказание землетрясений, и сверхточное измерение положений железнодорожных путей и нефтепроводов, медицинская техника и многие другие.
[править] Игрушки на основе гироскопа
Самыми простыми примерами игрушек, сделанных на основе гироскопа, являются йо-йо и волчок.
Кроме того, существуют кистевые тренажёры Powerball, которые также работают на гироскопическом эффекте.
[править] Литература
- Бороздин В.Н. Гироскопические приборы и устройства систем управления: Учеб. пособие для ВТУЗов., М., Машиностроение, 1990.
- Булгаков Б. В. Прикладная теория гироскопов. 3-е изд., М., Изд-во Моск.ун-та, 1976.
- Павловский М.А. Теория гироскопов: Учебник для ВУЗов., Киев, Вища Школа, 1986.
