Гироскоп как работает: Все стабильно или Как работает гироскоп?

суть, как устроен и для чего нужен

Однажды я наблюдал разговор двух друзей, точнее подруг:

А: О, знаешь, у меня новый смартфон, в нем есть даже встроенный гироскоп

Б: Аа, да, я тоже скачала себе, поставила гироскоп на месяц

А: Эмм, ты точно уверена, что это гироскоп?

Б: Да, гироскоп для всех знаков зодиака.

Чтобы таких диалогов в мире стало чуть меньше, предлагаем узнать, что такое гироскоп и как он работает.

Гироскоп: история, определение

Гироскоп – прибор, имеющий свободную ось вращения и способный реагировать на изменение углов ориентации тела, на котором он установлен. При вращении гироскоп сохраняет свое положение неизменным.

Само слово происходит от греческих  gyreuо – вращаться и skopeo – смотреть, наблюдать. Впервые термин гироскоп был введен Жаном Фуко в 1852 году, но изобрели прибор раньше. Это сделал немецкий астроном Иоганн Боненбергер в 1817 году.

Гироскопы представляют собой вращающиеся с высокой частотой твердые тела. Ось вращения гироскопа может изменять свое направление в пространстве. Свойствами гироскопа обладают вращающиеся артиллерийские снаряды, винты самолетов, роторы турбин.  

Простейший пример гироскопа – волчок или хорошо всем известная детская игрушка юла. Тело, вращающееся вокруг определенной оси, которая сохраняет положение в пространстве, если на гироскоп не действуют какие-то внешние силы и моменты этих сил. При этом гироскоп обладает устойчивостью и способен противостоять воздействию внешней силы, что во многом определяется его скоростью вращения.

Например, если мы быстро раскрутим юлу, а потом толкнем ее, она не упадет, а продолжит вращение. А когда скорость волчка упадет до определенного значения, начнется прецессия – явление, когда ось вращения описывает конус, а момент импульса волчка меняет направление в пространстве.

Волчок

Виды гироскопов

Существует множество видов гироскопов: двух и трехстепенные (разделение по степеням свободы или возможным осям вращения), механические, лазерные и оптические гироскопы (разделение по принципу действия).

Рассмотрим самый распространенный пример – механический роторный гироскоп. По сути это волчок, вращающийся вокруг вертикальной оси, которая поворачивается вокруг горизонтальной оси и в свою очередь закреплена в еще одной раме, поворачивающейся уже вокруг третьей оси. Как бы мы не поворачивали волчок, он всегда будет находится именно в вертикальном положении.

Гироскоп

Применение гироскопов

Благодаря своим свойствам гироскопы находят очень широкое применение. Они используются в системах стабилизации космических аппаратов, в системах навигации кораблей и самолетов, в мобильных устройствах и игровых приставках, а также в качестве тренажеров.

Интересует, как такой прибор может поместиться в современный мобильный телефон и зачем он там нужен?  Дело в том, что гироскоп помогает определить положение устройства в пространстве и узнать угол отклонения. Конечно, в телефоне нет непосредственно вращающегося волчка, гироскоп представляет собой микроэлектромеханическую систему (МЭМС), содержащую микроэлектронные и микромеханические компоненты.

Как это работает на практике? Представим, что вы играете в любимую игру. Например, гонки. Чтобы повернуть руль виртуального автомобиля не нужно нажимать никаких кнопок, достаточно лишь изменить положение своего гаджета в руках.

МЭМС датчик

Как видим, гироскопы – удивительные приборы, обладающие полезными свойствами. Если вам понадобится решить задачу на расчет движения гироскопа в поле внешних сил, обращайтесь к специалистам студенческого сервиса, которые помогут вам справится с ней быстро и качественно!

Как это работает. Гироскоп – Рамблер/новости

13 января

Ростех

Механизм, изобретенный в начале XIX века, сегодня находит применение практически повсеместно. Гироскопы используются в системах навигации кораблей и самолетов, в мобильных устройствах, игровых приставках и квадрокоптерах. Рассказываем об удивительном гироскопе – его истории, устройстве и принципе действия.

Фото: РостехРостех

Видео дня

От детского волчка до полетов в космос

В основе многих научных открытий лежит наблюдение за простыми повседневными вещами. Так и один из важных приборов, применяющихся в составе современных устройств, – гироскоп – родился из старинной детской игрушки, известной как волчок. Сильно раскрученный волчок, удерживающий вертикальное положение даже при воздействии на него внешних сил, привлек внимание ученых. Изучая его свойства, люди науки задумывались о практическом применении эффекта. Волчком интересовались англичанин Исаак Ньютон, российский академик Леонард Эйлер, опубликовавший в 1765 году труд «Теория движения твердых тел», и другие ученые.

Первые механические гироскопы появились в начале XIX века. Но только в 1852 году французский физик Леон Фуко предложил использовать устройство для контроля изменения направления и дал ему название «гироскоп». Первый промышленный гироскоп был создан в конце XIX века австрийский инженер Людвиг Обри придумал использовать его для стабилизации курса торпеды.

Следующим шагом в истории гироскопии стало создание лазерного гироскопа. Подготовка к его «рождению» заняла практически весь XX век, ведь для этого нужно было подтянуть квантовую физику и создать новые методы обработки материалов. Разработка лазерных гироскопов началась в 1970-х годах, а массовое применение пришлось на 2000-е. Сегодня мы находимся на этапе развития нового поколения гироскопов – волновых твердотельных и микромеханических.

В наше время гироскопы применяются в самых разных областях: для стабилизации фото- и видеокамер, в мобильных устройствах и игровых контроллерах, в огнестрельном оружии и робототехнике, в гироскутерах и квадрокоптерах, в системах навигации и управления в авиации, на кораблях и в космосе. Современные гироскопы на МЭМС-технологиях могут достигать миллиметровых размеров.

Устройство механического гироскопа

Как мы уже выяснили, гироскопы различаются в зависимости от принципа действия. Волчок, или юла – это простейший вариант механического гироскопа. Если массивный волчок раскрутить до достаточно высокой скорости, он сможет долго простоять в вертикальном положении, пока не затормозится, а также практически не отклоняться по вертикальной оси при применении к нему силы. Волчок не падает благодаря тому, что вращающееся тело стремится сохранить величину своей угловой скорости и направление оси вращения. Свободно вращающийся волчок под воздействием внешней силы отклоняется не в направлении этой силы, а перпендикулярно ей. Это явление называется прецессией.

Рассмотрим устройство на примере чуть более сложного роторного гироскопа с тремя степенями свободы. Подобный гироскоп, способный выполнять роль гирокомпаса, демонстрировал Леон Фуко. Три степени свободы гироскопа обеспечиваются с помощью карданового подвеса. Он состоит из двух колец: большого кольца, которое может вращаться вокруг вертикальной оси, и малого кольца, вращающегося вокруг горизонтальной оси. Внутри малого кольца закрепляется вращающееся тело – ротор. В результате благодаря кардановой системе подвеса ось ротора может иметь любое направление.

Механический гироскоп в движении

Для начала работы ротор раскручивается: чем быстрее раскручено колесо ротора, тем выше его сопротивление изменениям направления оси вращения. Как бы мы ни вращали все устройство, движущийся внутри него ротор сохраняет направление оси вращения в пространстве.

На этих свойствах вращающегося гироскопа основана работа гирокомпаса. Например, в авиации гирокомпас позволяет определять положение самолета в отсутствие ориентиров. Если самолет кренится в продольной или поперечной плоскости, с помощью гирокомпаса пилот увидит это отклонение по приборам. Кроме того, гирокомпас необходим в работе автопилота.

При очевидной полезности у механического гироскопа есть ряд недостатков. Для его стабильной работы нужны уникальные подшипники и предельная балансировка. Кроме того, на точность показаний влияет неизбежное трение в осях устройства.

Лазерный гироскоп до сих пор на высоте

Избавиться от перечисленных слабых мест механики удалось в гироскопах следующего поколения лазерных. В основе работы лазерного гироскопа – эффект Саньяка, открытый еще в 1913 году. Его суть заключается в том, что время прохождения светового луча по замкнутому контуру зависит от того, покоится или вращается данный контур, а также от направления его вращения. Применить этот эффект в гироскопии удалось только с появлением лазеров. Первые работы по созданию лазерного гироскопа были начаты практически одновременно в США и СССР. В 1962 году американские ученые В. Мацек и Д. Девис создали и запустили первый макетный образец лазерного гироскопа на базе кольцевого газового He-Ne-лазера. В середине 1963 года аналогичный результат был достигнут советскими учеными Л.Н. Курбатовым (НИИПФ) и В.Н. Курятовым (НИИ «Полюс» им. М.Ф. Стельмаха, сегодня входит в холдинг «Швабе» Ростеха).

Бесплатформенная навигационная система БИНС-СП-1 с лазерным гироскопом

Впоследствии наиболее значимые разработки лазерных гироскопов были организованы в НИИ «Полюс» под руководством его основателя М.Ф. Стельмаха, а начиная с 1969 года запущено промышленное производство и поставки серийных образцов.

Сегодня применяются лазерные гироскопы трех основных типов – вибрационный, фарадеевский и зеемановский. У первого частотная подставка основана на механическом реальном вращении гироскопа путем угловых вибраций, у второго и третьего – на искусственном, электрически управляемом расщеплении частот встречных волн в гироскопе. Лазерные гироскопы используются в составе инерциальных навигационных систем, позволяющих определять местоположение самолета без опоры на внешние источники информации.

Помимо НИИ «Полюс» им. М.Ф. Стельмаха на сегодняшний день масштабными производителями лазерных гироскопов являются Раменский приборостроительный завод и Тамбовский завод «Электроприбор», входящие в «Концерн Радиоэлектронные технологии». Их гироскопы применяются в навигационных устройствах, которые устанавливаются на десятки моделей российских самолетов и вертолетов. Несмотря на общую тенденцию к миниатюризации техники и на совершенствование гироскопов на основе микроэлектромеханических систем (МЭМС-технологии), лазерные гироскопы в силу своей высокой точности продолжают доминировать на рынке навигационных устройств.

Наука и техника,Леонард Эйлер,Исаак Ньютон,Завод “Октябрь”,РПЗ,КРЭТ,Швабе,Ростех,

Как работает гироскоп?

Гироскопы — это древняя технология, используемая для измерения или поддержания ориентации и скорости. В яхтенном мире они используются для обеспечения устойчивости лодок, устраняя неудобную качку лодки, которая может привести к морской болезни. Если вы когда-либо наслаждались плавной ездой по неспокойной воде, скорее всего, вы были в лодке с гироскопом. Итак, что такое гироскопы в Форт-Лодердейле, Флорида? Читай дальше что бы узнать!

Гироскоп существовал еще в Древнем Риме, Греции и Китае, и с тех пор в нем мало что изменилось. Гироскопы состоят из колеса, закрепленного либо на двух, либо на трех шарнирах. Подвесы позволяют колесу вращаться вокруг одной оси. Внешний карданный вал или рама вращается вокруг своей оси, которая зависит от опоры. Внутренний карданный шарнир предназначен для поворота вокруг оси, перпендикулярной оси внешней рамы.

Гироскоп работает с угловым моментом вместо линейного. Вы, вероятно, знакомы с линейным импульсом, например, когда автомобиль находится в движении — когда автомобиль находится в движении, он будет продолжать двигаться вперед, пока что-то не остановит его. Угловой момент аналогичен, за исключением того, что сила действует на объект и движется под прямым углом.

Когда гироскоп вращается, он обычно остается в той же ориентации и сопротивляется любой силе, пытающейся изменить ориентацию. Однако они используются не только в лодках — самолеты, космические станции и даже йо-йо используют гироскопические возможности. Короче говоря, они позволяют сохранять определенную ориентацию, поэтому мы используем их для стабилизации лодок.

Гироскопы использовались для стабилизации кораблей с 1800-х годов, включая корабль времен Первой мировой войны, USS Henderson , спущенный на воду в 1917 году. Фактически, маховики на этом корабле весили девять тонн и имели диаметр 25 футов. Сравните это со средним морским гироскопом для яхт размером с микроволновку.

Гироскоп вышел из моды для больших кораблей, уступив место другим технологиям стабилизации, но они по-прежнему очень популярны для небольших судов — Seakeeper является примером используемого сегодня гироскопа для лодок.

Когда лодка начинает катиться, гироскоп создает противодействующую силу, которая стабилизирует судно, не давая ему крениться или переворачиваться. Сегодня эксперты рекомендуют не использовать гироскоп на больших волнах, но он весьма полезен для обеспечения плавного движения в нормальных условиях.

Если вы заинтересованы в обеспечении плавности хода, установка гироскопа на вашу лодку может иметь большое значение. Эта древняя технология продолжает обеспечивать надежные результаты на суше, в воздухе и в воде.

Starboard Yacht Group LLC предоставляет владельцам яхт самых качественных специалистов по обслуживанию и ремонту лодок в районе Форт-Лодердейл. Наша команда снимает бремя владения лодкой, выполняя обширное техническое обслуживание и весь необходимый ремонт, гарантируя максимально возможный уровень безопасности и производительности. Позвоните нам сегодня, чтобы узнать больше о том, как работают гироскопы и как мы можем поддерживать вашу яхту в Форт-Лодердейле, штат Флорида, в отличном состоянии.

Гироскоп: что это и как работает?

Аэронавтика, Электроника, Приборостроение, Свет, Механика, Микроэлектроника

Педро Ней Строски / 26 августа 2022 г.

Тема поста – гироскоп. Очень полезный инструмент для электронных устройств, а также для воздушной, морской и космической навигации.

Принцип работы

Угловой момент

Сила, создаваемая для вращения объекта, создает перпендикулярный крутящий момент (в Н\cточка м), следуя правилу правой руки. Источник: Пинтерест. 9{2}dm

Где m — масса объекта, а r — расстояние от оси вращения до края твердого тела. Эта формула с символом \int является целым числом, и по ней можно найти уравнение момента инерции для любого объекта любой формы.

Источник: Pinterest.

Прецессия

Закон сохранения углового момента утверждает, что если результирующий вращающий момент равен нулю, угловой момент будет постоянным по направлению и величине. Чем выше угловой момент, тем выше сопротивление изменению направления этого импульса, вызванное силой, создающей крутящий момент. Сила тяжести вызывает крутящий момент в 90°, создавая прецессионное движение. Этот крутящий момент может существовать только при изменении углового момента во временном интервале.

\vec{\tau }=\frac{d\vec{L}}{dt}

d означает бесконечно малую вариацию, вариацию настолько низкую, что она стремится к нулю, но не равна нулю.

Земля также совершает прецессионное движение. Источник: Universidade da Madeira. Феномен прецессии объясняет, как колесо с осью, поддерживаемое стержнем или проволокой в ​​потолке, продолжает вращаться в горизонтальном направлении некоторое время. Источник: StackExchange.

Скорость прецессии (\Omega ) в радианах в секунду (рад/с).

\Omega=\frac{d \theta}{dt}

\theta – угол между начальным угловым моментом L и текущим угловым моментом L’.

Из-за бесконечно малой вариации можно считать \Delta L=dL. Источник: викимедиа.

Так как угол \theta бесконечно мал или очень мал, вы можете рассмотреть,

\theta \simeq sen\theta=tan \theta =\frac{dL}{L}

соседний. Крутящий момент равен массе M, умноженной на ускорение свободного падения g, на ось вращения диска r.

dL=\tau dt=(Mgr)dt

d\phi =\frac{dL}{L}=\frac{Mgrdt}{I\omega}

\Omega =\frac{Mgr}{I\ омега}

Механический гироскоп

Источник: wikimedia.

В механическом гироскопе, когда центральное колесо вращается с высокой скоростью, центральная ось будет двигаться в том же направлении, независимо от движения внутренних колец и опоры.

Источник: SMlease Design.

Эта функция полезна, чтобы указать, движется ли самолет или подводная лодка вверх, вниз или удерживается на той же высоте или глубине.

Автогоризонт, используемый в самолетах, представляет собой вакуумную трубку с гироскопом внутри. Воздух входит, чтобы приложить силу для вращения латунного диска с канавками. Затем воздух выходит через вакуумный насос, чтобы диск не терял скорость из-за трения. Источник: Учебная академия FSAC. На лодках используется стабилизирующий гироскоп, обеспечивающий их устойчивость в море. Источник: Морской хранитель.

В пространстве, где мало ориентиров, ориентиром для ориентации служит ось гироскопа.

Прочие типы гироскопов

Гироскоп MEMS

Источник: Mikro Kontroler.

Этот тип гироскопа используется во многих электронных системах. Состоят из резонансного кремниевого кольца внутри чипа. Чьи движения преобразуются в очень слабые электрические сигналы, которые обнаруживаются электродами, но нуждаются в усилении.

Кольцо деформируется в форму эллипса из-за силы Кориолиса, векторы по диагонали являются результирующим радиальным движением. Источник: Electronic Paper. Слева вибрирующее кольцо без углового ускорения, закреплены синие точки. Справа кольцо получает угловую скорость, создавая силу Кориолиса, которая изменяет направление вибрации кольца. Источник: Silicon Sensing.

Видео Silicon Sensing показывает работу гироскопа внутри транспортного средства.

Существуют другие типы МЭМС-гироскопов с тем же принципом работы, в которых используется резонансная масса, связанная с пружинами, и переменные конденсаторы для обнаружения изменений емкости, когда масса получает угловое ускорение.

Источник: Artilharia Digital.

Оптический гироскоп

Источник: Sam’s Laser FAQ.

Этот тип не нуждается во вращательном или резонансном компоненте. Лазерный луч разделяется на две части, которые идут в противоположных направлениях. Лучи отражаются зеркалами и могут распространяться по оптическому волокну или резонатору, пока не достигнут оптического датчика. Этот тип использует эффект Саньяка.

Эффект Саньяка

Когда устройство остановлено, лучи попадают на датчик одновременно. Когда оптический гироскоп вращается или наклоняется, лучи приходят в разное время и имеют разность фаз друг от друга. Следовательно, интерференционная картина между лучами меняется. Вращение в противоположных направлениях создает разные узоры. Видео из университета EPFL в Швейцарии демонстрирует эффект Саньяка.