Где применяется гироскоп: суть, как устроен и для чего нужен

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!

применение в технике » РобоВики

Данная статья является вводной теорией к уроку «Механический гироскоп. Авиагоризонт из Lego EV3» для кружка робототехники.

«

Я увидел вращение Земли под микроскопом»

В 1852 году в Парижской академии наук французский физик, механик и астроном Леон Фуко (1819 — 1868) продемонстрировал прибор, позволяющий обнаружить вращение Земли. Гироскоп — так он назвал это устройство. «Гирос» — от греческого «вращение». «Скопео» — от греческого «вижу, наблюдаю». Гироскоп был придуман ранее другим изобретателем, но название этого прибора пошло именно от Фуко.

Французский физик Леон Фуко

Оригинальную конструкцию продемонстрированного в Парижской академии гироскопа со специальной шкалой Фуко изобрел сам. Постройку гироскопа ученый заказал у известного изобретателя Генриха Румкорфа (1803 — 1877), создателя катушки Румкорфа — устройства для получения электрических высоковольтных импульсов.

Гироскоп Фуко представлял из себя вращающийся ротор (волчок) подвешенный так, что его ось могла поворачиваться в любом направлении относительно некоторой центральной неподвижной точки. Такой гироскоп имел наружную и внутреннюю рамку, которые могли вращаться относительно друг друга, и ротор, который концами оси крепился на внутренней рамке.

Гироскоп в кардановом подвесе

Оси вращения двух рамок и ротора пересекаются в точке О — он же центр масс этих тел.

Как бы не поворачивалось основание гироскопа, ось ротора сохраняет неизменное положение. Почему это так, нужно знать физические законы. Самые любознательные могут посмотреть видео по ссылкам в конце документа. Это свойство гироскопа было использовано Фуко для доказательства вращения Земли.

Гироскоп Фуко. Стрелка и шкала использовались для фиксации с помощью микроскопа смещения оси ротора при вращении Земли

Фуко установил гороскоп в подвале дома на тяжелом столе, чтобы никакая внешняя сила не повлияла на его вращение. Ученый раскручивал ротор до большой скорости с помощью специальной машины и возвращал на подставку.

Чтобы увидеть мельчайшее смещение оси вращения ротора относительно метки, Фуко производил наблюдения в микроскоп. И вскоре увидел смещение, которое повторялось из опыта к опыту.

— Я увидел вращение Земли под микроскопом, — сказал Фуко.

Кстати, Леону Фуко принадлежит другой опыт, доказывающий вращение нашей планеты. В 1851 году каждый парижанин мог «увидеть» вращение планеты во французском Пантеоне. В этом высоком храме Фуко построил огромный маятник с высотой подвеса в 67 метров и шаром массой 28 кг на конце. Позже в СССР в 1931 году маятник Фуко был установлен в Исаакиевском соборе, где демонстрировался до 1986 года. Прочитать о маятнике Фуко подробней можно по этой ссылке.

Демонстрация вращения Земли с помощью маятника Фуко в парижском ПантеонеМаятник Фуко в Исаакиевском соборе сбивает спичечный коробок

Применение гироскопа в технике

Игрушечный волчок — это простейший гироскоп, который вращается вокруг точки опоры. Гироскопические свойства проявляются во всех быстровращающихся устройствах — лопастях вертолета, турбине двигателя самолета.

Игрушечный волчок и вертолет

При повороте основания гироскопа ось вращения ротора сохраняет свое изначальное положение. И это свойство гироскопа нашло отражение в приборах, созданных для навигации самолетов, ракет, кораблей. Гироскоп может быть установлен даже в ваш смартфон, только он будет не механический, а электронный.

Приборы, использующие гироскоп, получили название гироскопических. Кроме карданова подвеса в механических гироскопах может использоваться аэродинамический подвес (ротор плавает на воздушной подушке) или электромагнитный подвес (ротор подвешивается в магнитом поле).

Гирокомпас. Из-за вращения Земли вокруг своей оси ось ротора гироскопа автоматически выравнивается относительно южного и северного полюса. Такой компас не подвержен влиянию намагниченных масс металла или электрической проводки, имеющихся на кораблях и самолетах.

Гирокомпас на корабле

Гиротахометр измеряет угловую скорость объекта, например, скорость и направление поворота самолета.

Авиагоризонт — гироскопический бортовой прибор самолета, который используется для определения углов тангажа (нос-хвост) и крена (левое-правое крыло) летательного аппарата. Это важнейшее устройство, с помощью которого опытный летчик может управлять самолетом с нулевой видимостью, не имея ориентиров в пространстве.

Прибор «Авиагоризонт» устанавливается на каждом самолете и находится в кабине экипажа

Гиростабилизатор на ракете, космическом корабле или спутнике дает понять электронной системе управления, в каком положении находится корабль относительно Земли или другого объекта. И с помощью такого гироскопа система управления может дать автоматический сигнал на запуск соответствующих корректирующих двигателей.

Гиростабилизатор позволяет установить систему координат для управления кораблем «Союз»

Гиродины (сontrol moment gyroscope) — это силовые гиростабилизаторы, которые устанавливаются на космические корабли или ракеты для их выравнивания в пространстве. Свойство крутящегося волчка оставаться в вертикальном положении можно использовать для отталкивания от него. Гиродины намного больше и тяжелее гироскопов, использующихся для навигации в пространстве. Их большая скорость вращения и большая масса дает большой момент инерции, который используется для изменения положения космического корабля. Космический корабль может оттолкнуться от такого гироскопа без использования двигателей ориентации. Так, четыре гиродина находится на МКС и позволяют поворачивать станцию без использования реактивных двигателей.

Замена гиродина на МКС (слева). Блок из четырех гиродинов МКС (справа)

Литература:

1. Творцы машин. Гироскоп Фуко 
2. Habr. Как опереться на пустоту?
3. 1sept.ru. Как это устроено: Гироскопы
4. ИНЕРЦИЯ И МОМЕНТ ИНЕРЦИИ: базовые сведения

Видео:

1. Научфильм СССР. Гироскоп и его применение. 2 части
2. НИЯУ МИФИ. Опыт с большим гироскопом. Гирокомпас
3. НИЯУ МИФИ. Гироскоп (гирокомпас) в карданном подвесе
4. GetAClass — Физика в опытах и экспериментах. Гироскоп
5. GetAClass — Физика в опытах и экспериментах. Прецессия гироскопа
6. Гироскоп . Вычисляется угловая скорость регулярной прецессии гироскопа
7. Gyroscope Tricks and Physics Stunts

 

Что такое гироскоп? | Определение из TechTarget

К

• Участник TechTarget

Гироскоп представляет собой устройство с вращающимся диском или колесным механизмом, в котором используется принцип сохранения углового момента: тенденция к тому, чтобы вращение системы оставалось постоянным, если на нее не действует внешний крутящий момент.

Гироскопы используются во многих изобретениях, как старых, так и новых, для стабилизации, направления или измерения вращательного движения. Колеса велосипеда, например, действуют как гироскопы, когда они раскручиваются до нужной скорости, что позволяет легче оставаться в вертикальном положении и труднее нарушить инерцию.

Управляемые ракеты используют гироскопы для отслеживания и направления своих курсов.

Изменение направления устройства с гироскопом достигается вращением гироскопа, изменением его оси выходной силы. Измеряемое вращение многоосевых гироскопов с помощью датчиков обеспечивает точное измерение и управление многими устройствами.

Многие недавние дискуссии, связанные с гироскопами, вращаются вокруг смартфонов. В сочетании с гироскопами и технологией отслеживания местоположения акселерометры смартфонов можно использовать для обнаружения движения устройства в трехмерном пространстве. Это точное отслеживание движения используется для таких функций, как правильная ориентация дисплея для просмотра. Датчики можно использовать для управления играми, приложениями и виртуальной реальностью не только в смартфонах, но и в других устройствах, таких как гарнитуры виртуальной реальности.

Несмотря на свою полезность в этих областях, гироскопы также представляют некоторые проблемы с безопасностью. Возможности гироскопов также можно использовать для отслеживания местоположения по желанию пользователя или других сторон, которые имеют или получают доступ к устройству. Наряду с модифицированным программным обеспечением для распознавания речи устройства могут включать подслушивание, когда микрофон недоступен. Их также можно использовать для поддержания точности вибрационных атак клавиатуры, несмотря на движение телефона.

Последнее обновление: март 2016 г.

Продолжить чтение О гироскопе

• Ажиотаж вокруг данных датчиков растет, но успех будет зависеть от основ

• Как лучше всего предотвратить отслеживание акселерометра?

• Поведение гироскопов

• Может ли гироскоп смартфона быть подслушивающим устройством?

• Как работают гироскопы?

когнитивное искажение

Когнитивное искажение — это систематический мыслительный процесс, вызванный склонностью человеческого мозга к упрощению обработки информации через фильтр личного опыта и предпочтений.

Сеть

• факс

  Факс — сокращение от «факсимиле» и иногда называемый «телекопированием» — это телефонная передача отсканированных печатных…

• Закрыть сеть

  Сеть Clos — это тип неблокируемой многоступенчатой ​​коммутационной сети, используемой сегодня в коммутационных фабриках крупных центров обработки данных.

• коллизия в сети

  В полудуплексной сети Ethernet коллизия возникает в результате попытки двух устройств в одной сети Ethernet передать…

Безопасность

• маскировка

  Маскировка – это метод, при котором пользователям возвращается другая версия веб-контента, отличная от версии поисковых роботов.

• Вредоносное ПО TrickBot

  TrickBot — это сложное модульное вредоносное ПО, которое начиналось как банковский троян, а затем эволюционировало, чтобы поддерживать множество различных типов .

  ..

• Общая система оценки уязвимостей (CVSS)

  Общая система оценки уязвимостей (CVSS) — это общедоступная платформа для оценки серьезности уязвимостей безопасности в …

ИТ-директор

• качественные данные

  Качественные данные — это информация, которую невозможно подсчитать, измерить или выразить с помощью чисел.

• зеленые ИТ (зеленые информационные технологии)

  Green IT (зеленые информационные технологии) — это практика создания и использования экологически устойчивых вычислительных ресурсов.

• Agile-манифест

  The Agile Manifesto — это документ, определяющий четыре ключевые ценности и 12 принципов, в которые его авторы верят разработчикам программного обеспечения…

HRSoftware

• опыт кандидата

  Опыт кандидата отражает отношение человека к процессу подачи заявления о приеме на работу в компанию.

• непрерывное управление производительностью

  Непрерывное управление эффективностью в контексте управления человеческими ресурсами (HR) представляет собой надзор за работой сотрудника …

• вовлечения сотрудников

  Вовлеченность сотрудников — это эмоциональная и профессиональная связь, которую сотрудник испытывает к своей организации, коллегам и работе.

Служба поддержки клиентов

• распознавание голоса (распознавание говорящего)

  Распознавание голоса или говорящего — это способность машины или программы принимать и интерпретировать диктовку или понимать и …

• Облачная служба Salesforce

  Salesforce Service Cloud — это платформа управления взаимоотношениями с клиентами (CRM), позволяющая клиентам Salesforce предоставлять услуги и …

• БАНТ

  BANT — это аббревиатура от «Budget, Authority, Need, Timing».

Гироскопы | ЕКА/Хаббл | ESA/Hubble

Во время обслуживания четвертой миссии астронавты заменили все шесть гироскопов Хаббла. Гироскопы важны, потому что они измеряют скорость движения Хаббла и помогают обеспечить правильное наведение телескопа во время наблюдений.

Как работают гироскопы

Гироскопы — это устройства, измеряющие скорость вращения объекта. Они необходимы, чтобы помочь Хабблу повернуться и зафиксировать новые цели.

Гироскопы сохраняют ориентацию и обеспечивают устойчивость на лодках, самолетах и ​​космических кораблях на основе углового момента. Вы можете испытать этот эффект, взяв велосипедное колесо за ось и попросив кого-нибудь покрутить колесо. Если вы попытаетесь сдвинуть ось прялки, вы почувствуете силу, противодействующую вашей попытке сдвинуть ее. Эта сила подобна той, что возникает в гироскопах при движении Хаббла.

Каждый гироскоп содержит колесо, вращающееся со скоростью 19 200 оборотов в минуту внутри герметичного цилиндра. Этот цилиндр погружен в густую жидкость, похожую на моторное масло. Тонкие, похожие на волосы провода, окруженные этой густой жидкостью, передают электричество к двигателю. Воздух под давлением кислорода, используемый для нагнетания густой жидкости в полость поплавка, содержащую эти провода, вызвал коррозию проводов и их поломку. Азот под давлением, используемый в новых гироскопах, исключает попадание агрессивного кислорода.

Лучшие гироскопы в мире

Доступны несколько различных типов гироскопов: механические на шарикоподшипниках; другие конструкции, использующие свет или частоту резонирующего полушария для обнаружения движения; и газовые подшипники. Из них только газовые гироскопы предлагают сочетание чрезвычайно низкого уровня шума с очень высокой стабильностью и разрешением. Газосодержащие гироскопы являются самыми точными в мире, и Хаббл использует лучшие из доступных.

Гироскопы Хаббла необычайно стабильны и могут обнаруживать даже очень малые движения. При использовании с другими устройствами точного наведения они удерживают телескоп точно наведенным в течение длительного времени, позволяя Хабблу создавать захватывающие виды Вселенной.