Гироско?п
(от
др.-греч.
γ?ρο?
≪круг≫ +
σκοπ?ω
≪смотрю≫) ? устройство, способное реагировать на изменение
углов
ориентации
тела, на котором оно установлено, относительно
инерциальной системы отсчёта
. Простейший пример гироскопа ?
юла (волчок)
.
Термин впервые введен
Ж. Фуко
в своём докладе в
1852 году
во
Французской академии наук
. Доклад был посвящён способам экспериментального обнаружения
вращения Земли
в
инерциальном пространстве
. Этим и обусловлено название ≪гироскоп≫.
До изобретения гироскопа человечество использовало различные методы определения направления в пространстве. Издавна люди ориентировались визуально по удалённым предметам, в частности, по
Солнцу
. Уже в древности появились первые приборы, основанные на гравитации:
отвес
и
уровень
. В средние века в Китае был изобретён
компас
, использующий магнетизм Земли. В Древней Греции были созданы
астролябия
и другие приборы, основанные на положении звёзд.
С помощью гироскопа наблюдается явление прецессии.
Гироскоп изобрёл
Иоанн Боненбергер
и опубликовал описание своего изобретения в
1817 году
[1]
. Однако французский математик
Пуассон
ещё в 1813 году упоминает Боненбергера как изобретателя этого устройства
[2]
. Главной частью гироскопа Боненбергера был вращающийся массивный
шар
в
кардановом подвесе
[3]
. В 1832 году американец Уолтер Р. Джонсон придумал гироскоп с вращающимся диском
[4]
[5]
. Французский учёный
Лаплас
рекомендовал это устройство в учебных целях
[6]
. 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
[7]
. Именно Фуко придумал название ≪гироскоп≫. Фуко, как и Боненбергер, использовал карданов подвес. Не позже 1853 года Фессель изобрёл другой вариант подвески гироскопа
[8]
.
Преимуществом гироскопа перед более древними приборами являлось то, что он правильно работал в сложных условиях (плохая видимость, тряска, электромагнитные помехи). Однако вращение гироскопа быстро замедлялось из-за трения.
Во второй половине XIX века было предложено использовать
электродвигатель
для разгона и поддержания вращения 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.
Основные типы гироскопов по количеству
степеней свободы
:
- двухстепенные,
- трехстепенные.
Основные два типа гироскопов по принципу действия:
- механические гироскопы,
- оптические гироскопы.
Также проводятся исследования по созданию ядерных гироскопов, использующих
ЯМР
для отслеживания
изменения
спина атомных ядер.
[9]
Среди механических гироскопов выделяется
ро?торный гироско?п
? 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.
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≫.
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
[10]
:
то есть
обратно пропорциональна моменту импульса ротора гироскопа или, при неизменном моменте инерции ротора ? скорости его вращения.
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.
Вибрационные
гироскопы ? устройства, сохраняющие направление своих колебаний при повороте основания.
Делятся на
лазерные гироскопы
(активные оптические), пассивные оптические гироскопы,
волоконно-оптические
и интегрально-оптические (ВОГ и ИОГ). Принцип действия основан на
эффекте Саньяка
, открытом в 1913 году
[11]
[12]
. Теоретически он объясняется с помощью
СТО
. Согласно СТО, скорость света постоянна в любой
инерциальной системе отсчёта
[13]
. В то время как в
неинерциальной системе
она может отличаться от c
[14]
. 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. Величина эффекта прямо пропорциональна
угловой скорости вращения
интерферометра и
площади
, охватываемой путём распространения световых волн в интерферометре
[11]
:
где
-разность времён прихода лучей, выпущенных в разных направлениях,
? площадь контура,
? угловая скорость вращения гироскопа.
Так как величина
очень мала, то её прямое измерение с помощью пассивных интерферометров возможно только в волоконно-оптических гироскопах с длиной волокна 500?1000 м. Во вращающемся кольцевом
интерферометре
лазерного гироскопа можно измерить фазовый сдвиг встречных волн, равный
[11]
:
где
? длина волны.
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
. 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 системах ориентации и стабилизации космических аппаратов. При использовании в
гировертикали
показания гироскопа должны корректироваться
акселерометром
(маятником), так как из-за суточного вращения Земли и ухода гироскопа происходит отклонение от истинной вертикали. Кроме того, в механических гироскопах может использоваться смещение его центра масс, которое эквивалентно непосредственному воздействию маятника на гироскоп
[15]
.
Эти системы необходимы для поддержания желаемого параметра на определенном постоянном уровне. Для этого требуется задание требуемого значения регулируемой величины.
[16]
Системы стабилизации бывают трёх основных типов.
- Система силовой стабилизации (на двухстепенных гироскопах).
Для стабилизации вокруг каждой оси нужен один гироскоп. Стабилизация осуществляется гироскопом и двигателем разгрузки, вначале действует гироскопический момент, а потом подключается двигатель разгрузки.
- Система индикаторно-силовой стабилизации (на двухстепенных 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 трехстепенных гироскопах)
Для стабилизации вокруг двух осей нужен один гироскоп. Стабилизация осуществляется только двигателями разгрузки.
Гироскопический эффект применяется при стабилизации
полёта неуправляемых боеприпасов
ручного и артиллерийского
нарезного оружия
путём придания им вращения вокруг продольной оси
[17]
. Это же может достигаться в некоторых боеприпасах оперением, установленным под определённым углом к продольной оси, к примеру, в
реактивных снарядах
. В управляемых боеприпасах, в частности, в
крылатых ракетах
, могут применяться гироскопы.
Постоянно растущие требования к точностным и эксплуатационным характеристикам гироприборов 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
США
,
ЕС
,
Японии
,
России
выданы тысячи
патентов
на соответствующие 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
.
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. Однако решение углового положения аппарата в пространстве с использованием СНС-систем (многоантенных) хоть и возможно, но весьма затруднено и имеет ряд значимых ограничений, в отличие от гироскопических систем.
В настоящее время 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 самолёта двух приёмников спутниковых сигналов, позволяет получить информацию о повороте самолёта вокруг вертикальной оси.
Однако системы СНС 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 СНС оказывается точнее
ИНС
на
длинных
участках. Но использование двух СНС-приёмников для измерения углов наклона самолёта даёт погрешности до нескольких градусов. Подсчёт курса путём определения скорости самолёта с помощью СНС также не является достаточно точным.
Поэтому в современных 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: геологоразведка, предсказание землетрясений, сверхточное измерение положений железнодорожных путей и нефтепроводов, медицинская техника и многие другие.
Значительное удешевление производства
МЭМС
-датчиков привело к тому, что они все чаще используются в
смартфонах
и
игровых приставках
.
Гироскопы применялись в контроллерах для игровых приставок:
Sixaxis
для Sony PlayStation 3 и
Wii MotionPlus
для Nintendo Wii и в более поздних. Вместе с гироскопом в них установлен акселерометр.
Изначально единственным датчиком ориентации в смартфонах был трехосевой МЭМС-
акселерометр
, чувствительный лишь к ускорению. В состоянии относительного покоя он позволял приблизительно оценить направление
вектора
силы тяготения Земли (g)
. С 2010 года смартфоны стали дополнительно оснащаться трёхосевым вибрационным МЭМС-гироскопом, одним из первых был iPhone 4. Иногда также устанавливается магнитометр (электронный компас), позволяющий компенсировать дрейф гироскопов.
[18]
[19]
Самыми простыми примерами
игрушек
, сделанных на основе гироскопа, являются
йо-йо
,
волчок (юла)
,
спиннер
(волчки отличаются от гироскопов тем, что не имеют ни одной неподвижной точки).
Кроме того, существует спортивный
гироскопический тренажёр
.
Ряд
радиоуправляемых вертолётов
использует гироскоп.
Минимум три гироскопа нужны для полёта
мультикоптеров
, в частности квадрокоптеров.
- ↑
Johann G. F. Bohnenberger (1817) ≪Beschreibung einer Maschine zur Erlauterung der Gesetze der Umdrehung der Erde um ihre Axe, und der Veranderung der Lage der letzteren≫ (≪Описание машины для объяснения законов вращения Земли вокруг своей оси и изменения направления последней≫)
Tubinger Blatter fur Naturwissenschaften und Arzneikunde
, vol. 3, pages 72-83. В интернете:
http://www.ion.org/museum/files/File_1.pdf
Архивная копия
от 19 июля 2011 на
Wayback Machine
- ↑
Simeon-Denis Poisson (1813) ≪Memoire sur un cas particulier du mouvement de rotation des corps pesans≫ (≪Статья об особом случае вращательного движения массивных тел≫),
Journal de l'Ecole Polytechnique
, vol. 9, pages 247?262. В интернете:
http://www.ion.org/museum/files/File_2.pdf
Архивная копия
от 19 июля 2011 на
Wayback Machine
- ↑
Фото гироскопа Боненбергера:
http://www.ion.org/museum/item_view.cfm?cid=5&scid=12&iid=24
Архивная копия
от 28 сентября 2007 на
Wayback Machine
- ↑
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:
https://books.google.com/books?id=BjwPAAAAYAAJ&pg=PA265&lpg=PR5&dq=Johnson+rotascope&ie=ISO-8859-1&output=html
Архивная копия
от 30 сентября 2014 на
Wayback Machine
- ↑
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:
https://books.google.com/books?id=fEyT4sTd7ZkC&pg=PA178&dq=Johnson+rotascope&ie=ISO-8859-1&output=html
Архивная копия
от 25 сентября 2014 на
Wayback Machine
- ↑
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
Архивная копия
от 28 сентября 2007 на
Wayback Machine
- ↑
L. Foucault (1852) "Sur les phenomenes d’orientation des corps tournants entraines par un axe fixe a la surface de la terre, "
Comptes rendus hebdomadaires des seances de l’Academie des Sciences (Paris)
, vol. 35, pages 424?427.
- ↑
(1)
Julius Plucker (September 1853) "Uber die Fessel’sche rotationsmachine, "
Annalen der Physik
, vol. 166, no. 9, pages 174?177;
(2)
Julius Plucker (October 1853) "Noch ein wort uber 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:
https://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
Архивная копия
от 30 сентября 2014 на
Wayback Machine
.
- ↑
Ядерный гироскоп
Архивная копия
от 16 января 2014 на
Wayback Machine
(Физический энциклопедический словарь);
Northrop Grumman продемонстрировала миниатюрный гироскоп micro-NMRG
Архивная копия
от 9 ноября 2013 на
Wayback Machine
, 30.10.2013;
Nuclear Magnetic Resonance Gyroscopes
Архивная копия
от 16 января 2014 на
Wayback Machine
, NIST
- ↑
Савельев, 2004
, с. 190-197.
- ↑
1
2
3
Распопов, 2009
, с. 62?64.
- ↑
Georges Sagnac
. L’ether lumineux demontre par l’effet du vent relatif d’ether dans un interferometre en rotation uniforme
Архивная копия
от 26 мая 2013 на
Wayback Machine
,
Comptes Rendus
157 (1913), S. 708?710
- ↑
Ландау Л. Д.
,
Лифшиц Е. М.
Теория поля. ? Издание 8-е, стереотипное. ?
М.
:
Физматлит
, 2006. ? 534 с. ? (≪
Теоретическая физика
≫, том II). ?
ISBN 5-9221-0056-4
.
- ↑
Савельев, 2004
, с. 255?256.
- ↑
Пельпор, 1988
, с. 170-171.
- ↑
А.В. Андрюшин, В.Р.Сабанин, Н.И.Смирнов.
Управление и инноватика в теплоэнергетике. ? М: МЭИ, 2011. ? С. 15. ? 392 с. ?
ISBN 978-5-38300539-2
.
- ↑
Внуков В. П.
Артиллерия. Изд. 2-е, испр. и доп. / Глава 6. Волчок и гироскоп // М.:
Государственное военное издательство наркомата обороны Союза ССР
, 1938. ? 360 с., илл.
- ↑
[1]
Архивная копия
от 16 января 2014 на
Wayback Machine
[2]
Архивная копия
от 16 января 2014 на
Wayback Machine
[3]
Архивная копия
от 10 апреля 2022 на
Wayback Machine
- ↑
First MEMS gyro smartphone to ship in June; it won’t be the last
Архивная копия
от 24 сентября 2015 на
Wayback Machine
// EETimes, 5/11/2010
- Бороздин В. Н.
Гироскопические приборы и устройства систем управления: Учеб. пособие для вузов. ?
М.
: Машиностроение, 1990. ? 272 с. ?
ISBN 5-217-00359-6
.
- Гироскопические системы / Под ред.
Д. С. Пельпора
. В 3 ч. ? М.: Высшая школа, 1986?1988. Ч. 1: Теория гироскопов и гироскопических стабилизаторов. 1986; Ч. 2: Гироскопические приборы и системы. 1988; Ч. 3: Элементы гироскопических приборов. 1988
- Матвеев В. В., Распопов В. Я.
Основы построения бесплатформенных инерциальных навигационных систем. 2-е изд / Под ред. В. Я. Распопова. ?
СПб.
: ЦНИИ ≪Электроприбор≫, 2009. ? 280 с. ?
ISBN 978-5-900780-73-3
.
- Меркурьев И. В.
,
Подалков В. В.
Динамика микромеханического и волнового твердотельного гироскопов. ?
М.
: Физматлит, 2009. ? 226 с. ?
ISBN 978-5-9221-1125-6
.
- Павловский М. А.
Теория гироскопов: Учебник для вузов. ? Киев: Вища школа, 1986. ? 303 с.
- Пельпор Д. С.
Гироскопические системы. Ч. 2. Гироскопические приборы и системы. 2-е изд. ?
М.
: Высшая школа, 1988. ? 424 с. ?
6000 экз.
?
ISBN 5-06-001186-0
.
- Савельев И. В.
Курс общей физики. Т. 1. Механика. ?
М.
: Астрель, 2004. ? Т. 1. ? 336 с. ?
5000 экз.
?
ISBN 5-17-002963-2
.
.
- Сивухин Д. В.
Общий курс физики. ? Издание 5-е, стереотипное. ?
М.
:
Физматлит
, 2006. ? Т. I. Механика. ? 560 с. ?
ISBN 5-9221-0715-1
.
- Климов Д.М.
,
Журавлёв В.Ф.
, Жбанов Ю.К.
Кварцевый полусферический резонатор (Волновой твердотельный гироскоп). ?
М.
: Ким Л.А., 2017. ? 194 с. ?
ISBN 978-5-9909668-5-7
.
Ссылки на внешние ресурсы
|
---|
| |
---|
В библиографических каталогах
|
---|
|
|