Эффект гироскопа – Гироскопический эффект Википедия

Содержание

Что такое гироскопический эффект

Автор: Administrator


Одной из любимых детских игрушек является волчок или юла. Раскрутишь его – он и стоит себе на одной ножке, только яркие полосы на боковине сливаются в сплошное цветное пятно. Казалось бы, самая обычная, простая детская игрушка, а в основе ее поведения лежит такое физическое явление, как гироскопический эффект. Пока такой волчок неподвижен, он не представляет собой никакого интереса, поставить его вертикально просто невозможно. Но стоит его раскрутить – тут начинаются настоящие чудеса.

Именно вращательное движение и является причиной устойчивости волчка. Из-за сил трения в точке опоры вращение замедляется, и когда оно прекратится, волчок падает. Устойчивость игрушке придает гироскопический эффект. Создается он центробежной силой, возникающей при вращении юлы. Если ее хорошо раскрутить, то, даже если юла первоначально стояла под углом, она станет вертикально. Волчок всегда устанавливается так, что ось вращения и направление силы тяжести совпадают.

Если попытаться отклонить волчок от вертикального положения, то он начинает совершать некие колебания, которые имеют специальное название – прецессия. Ось волчка при этом явлении описывает в пространстве вокруг вертикальной линии фигуру похожую на конус. Чем сильнее раскручен волчок, тем он будет устойчивей. Чем более массивным будет игрушка и чем выше ее скорость, тем больший гироскопический момент она сможет развить. Под этим термином подразумевается произведение угловой скорости волчка (ротора) на момент инерции собственного вращения ротора.

Описанный случай– лишь один из немногих возможных примеров вращающихся тел. Их главная особенность – устойчивость тела по отношению к оси вращения. Для повышения устойчивости пули и исключения ее кувыркания в воздухе, ее заставляют в полете вращаться. Добиваются этого с помощью винтовой нарезки в стволе. Вращающаяся пуля сохраняет во все время полета свое положение и направление.

Из приведенного примера видно, что гироскопический эффект находит применение не только в качестве детской игрушки. Устойчивость вращающегося диска имеет свое использование в технике. На этом принципе – сопротивлении попыткам изменить положение вращающегося диска, построены так называемые гироскопические стабилизаторы. Они работают на морских судах в качестве устройств, гасящих качку.

Изобретен и специальный прибор – гироскоп. По сути, гироскоп – это тот же самый волчок. У этого прибора ось помещена в специальную подвеску и может свободно в ней вращаться. Гироскоп может служить компасом. Если его сильно раскрутить, то ось его вращения будет направлена вдоль земного меридиана, указывая на север. Такой прибор называется гирокомпасом.

Гирокомпас обладает определенными преимуществами перед обычным магнитным компасом. Так, погрешность магнитного компаса зачастую достаточно большая, особенно в районах вблизи полюсов. В таких случаях лучше всего пользоваться именно гирокомпасом. Существует множество других приборов с применением гироскопического эффекта – гирогоризонт, гиротахометры, гиростабилизирующие платформы.

Даже сама Земля представляет собой гигантский волчок, совершающий один оборот в сутки. У этого волчка есть и прецессионные колебания. Такой же гигантский волчок представляет собой и Солнце. По-видимому, вокруг собственной оси вращается все во Вселенной. И не только звезды, но и туманности, и галактики.

Рассмотрев в качестве примера вращающийся волчок, прочно стоящий на одной точке и сопротивляющийся попыткам изменить его положение, удалось узнать, что в основе такого поведения лежит удивительно интересное и полезное явление, такое, как гироскопический эффект.



Опубликовано в Образование и наука

Добавить комментарий

www.vigivanie.com

Гироскопический эффект — стоим, пока крутимся

Одной из любимых детских игрушек является волчок или юла. Раскрутишь его – он и стоит себе на одной ножке, только яркие полосы на боковине сливаются в сплошное цветное пятно. Казалось бы, самая обычная, простая детская игрушка, а в основе ее поведения лежит такое физическое явление, как гироскопический эффект. Пока такой волчок неподвижен, он не представляет собой никакого интереса, поставить его вертикально просто невозможно. Но стоит его раскрутить – тут начинаются настоящие чудеса.

Именно вращательное движение и является причиной устойчивости волчка. Из-за сил трения в точке опоры вращение замедляется, и когда оно прекратится, волчок падает. Устойчивость игрушке придает гироскопический эффект. Создается он центробежной силой, возникающей при вращении юлы. Если ее хорошо раскрутить, то, даже если юла первоначально стояла под углом, она станет вертикально. Волчок всегда устанавливается так, что ось вращения и направление силы тяжести совпадают.

Если попытаться отклонить волчок от вертикального положения, то он начинает совершать некие колебания, которые имеют специальное название – прецессия. Ось волчка при этом явлении описывает в пространстве вокруг вертикальной линии фигуру похожую на конус. Чем сильнее раскручен волчок, тем он будет устойчивей. Чем более массивным будет игрушка и чем выше ее скорость, тем больший гироскопический момент она сможет развить. Под этим термином подразумевается произведение угловой скорости волчка (ротора) на момент инерции собственного вращения ротора.

Описанный случай– лишь один из немногих возможных примеров вращающихся тел. Их главная особенность – устойчивость тела по отношению к оси вращения. Для повышения устойчивости пули и исключения ее кувыркания в воздухе, ее заставляют в полете вращаться. Добиваются этого с помощью винтовой нарезки в стволе. Вращающаяся пуля сохраняет во все время полета свое положение и направление.

Из приведенного примера видно, что гироскопический эффект находит применение не только в качестве детской игрушки. Устойчивость вращающегося диска имеет свое использование в технике. На этом принципе – сопротивлении попыткам изменить положение вращающегося диска, построены так называемые гироскопические стабилизаторы. Они работают на морских судах в качестве устройств, гасящих качку.

Изобретен и специальный прибор – гироскоп. По сути, гироскоп – это тот же самый волчок. У этого прибора ось помещена в специальную подвеску и может свободно в ней вращаться. Гироскоп может служить компасом. Если его сильно раскрутить, то ось его вращения будет направлена вдоль земного меридиана, указывая на север. Такой прибор называется гирокомпасом.

Гирокомпас обладает определенными преимуществами перед обычным магнитным компасом. Так, погрешность магнитного компаса зачастую достаточно большая, особенно в районах вблизи полюсов. В таких случаях лучше всего пользоваться именно гирокомпасом. Существует множество других приборов с применением гироскопического эффекта – гирогоризонт, гиротахометры, гиростабилизирующие платформы.

Даже сама Земля представляет собой гигантский волчок, совершающий один оборот в сутки. У этого волчка есть и прецессионные колебания. Такой же гигантский волчок представляет собой и Солнце. По-видимому, вокруг собственной оси вращается все во Вселенной. И не только звезды, но и туманности, и галактики.

Рассмотрев в качестве примера вращающийся волчок, прочно стоящий на одной точке и сопротивляющийся попыткам изменить его положение, удалось узнать, что в основе такого поведения лежит удивительно интересное и полезное явление, такое, как гироскопический эффект.

fb.ru

Гироскоп на кардановом подвесе

Карданов
подвес
— универсальная шарнирная
опора, позволяющая закреплённому в ней
объекту вращаться одновременно в
нескольких плоскостях.Главным
свойством
карданова подвеса является
то, что если в него закрепить вращающееся
тело, то оно будет сохранять направление
оси вращения независимо от ориентации
самого подвеса.

Уравновешенный
гироскоп

закреплён на подвесе таким образом, что
может совершать любой поворот вокруг
центра подвеса, причём центр подвеса
гироскопа совпадает с его центром
тяжести, следовательно, результирующий
момент всех частей гироскопа относительно
центра подвеса равен нулю.

Устройство:
на корпусе закреплено внешнее кольцо,
свободно поворачивающееся вокруг оси
AA`.
Внутри него расположено внутреннее
кольцо, вращающееся вокруг оси BB’,
перпендикулярной к оси AA`.
Гироскоп D
вращается вокруг своей оси CC’,
перпендикулярной к оси внутреннего
кольца подвеса BB’.
Таким образом, ось гироскопа может
свободно поворачиваться и занимать
любое положение в пространстве, при
этом корпус гироскопа будет оставаться
неподвижным. А при любом повороте
подставки ось вращения гироскопа будет
сохранять неизменным своё направление.

Рис.1.
Гироскоп на кардановом подвесе

Гироскопический эффект

Момент
количества движения гироскопа совпадает
с его осью вращения. Для того, чтобы
изменить направление в пространстве
оси гироскопа, т.е. направление вектора

необходимо
в соответствии с основным уравнением
динамики вращательного движения

подействовать
на него моментом внешних сил. При этом
наблюдается явление, получившее название
гироскопического
эффекта
:
под действием пары сил, стремящихся
повернуть вращающийся гироскоп вокруг
оси, перпендикулярной к его оси вращения,
гироскоп станет поворачиваться около
третьей оси, перпендикулярной к первым
двум.

Рис.2.
Графическое представление гироскопического
эффекта.

OO`
– ось вращения гироскопа; O1O1`
– ось, перпендикулярная к оси вращения
гироскопа;

O2O2`
– новое направление оси вращения
гироскопа.

Рассмотрим
поведение гироскопа под действием
момента силы
,
действующего
вдоль оси O1O1`.
За
время dt
момент
количества движения гироскопа

получит
приращение

,
которое имеет такое же направление, как
и
.

Момент
количества движения гироскопа спустя
время dt
будет
равен результирующей
,
лежащей в плоскости чертежа. Направление
вектора
совпадает
с новым направлением оси вращения
гироскопа O2O2`
и ось гироскопа повернется вокруг оси
O2O2`,
перпендикулярной плоскости чертежа,
причем так, что угол между векторами

и

уменьшится.

Как
видно из рисунка,
.

Скорость
прецессии, т.е. скорость поворота оси
гироскопа в новое положение:

Если
действовать на гироскоп длительное
время постоянным по направлению моментом
внешних сил, то ось гироскопа устанавливается
так, что ось и направление собственного
вращения совпадают с осью и направлением
вращения под действием внешних сил
(вектор
совпадает по направлению с вектором).

Следствием
действия гироскопического эффекта
является прецессия
– это движение, возникающее при быстром
вращении тела, при котором его ось
вращения сама движется по конусу, вершина
которого находится в точке соприкосновения
тела с опорой, а ось конуса совпадает с
направлением внешней силы.

studfiles.net

5.9. Гироскоп. Гироскопический эффект — Лекции по физике

Гироскопом (или волчком) называют массивное симметричное тело, вращающееся с большой скоростью вокруг оси симметрии (рис.5.5).

Момент количества движения гироскопа совпадает с его осью вращения. Для того, чтобы изменитьнаправление в пространстве оси гироскопа, т.е. направление вектора необходимо в соответствие основным уравнением динамики вращательного движения подействовать на него моментом внешних сил . Пусть это пара сил создающая вращающий момент относительно оси , лежащей в плоскости чертежа перпендикулярно оси ОО (вращение вокруг ). При этом наблюдается следующее явление, получившее название гироскопического эффекта: под действием пары сил, которые, казалось бы, должны были вызвать поворот оси гироскопа ОО вокруг оси , ось гироскопа поворачивается вокруг прямой перпендикулярно к этим осям (т.е. к ОО и ). «Противоестественное» на первый взгляд поведение гироскопа оказывается, как легко видеть, полностью соответствует законам динамики вращательного движения, т.е. в конечном счете, законам Ньютона. Рассмотрим поведение гироскопа под действием момента силы действующего вдоль оси . За время момент количества движения гироскопа получит приращение , которое имеет такое же направление, как и . Момент количества движения гироскопа спустя время будет равен результирующей , лежащей в плоскости чертежа. Направление вектора совпадает с новым направлением оси вращения гироскопа. Таким образом, ось гироскопа повернется вокруг оси (перпендикулярной плоскости чертежа), причем так, что угол между векторами и уменьшится: Если действовать на гироскоп длительное время постоянным по направлению моментом внешних сил, то ось гироскопа устанавливается в конце концов так, что ось и направление собственного вращения совпадают с осью и направлением вращения под действием внешних сил (вектор , совпадает по направлению с вектором ).

physics-lectures.ru

Гироскопический эффект. / личный блог Space Invader / smotra.ru

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.

smotra.ru

5.9. Гироскоп. Гироскопический эффект — Физические основы механики

Гироскопом (или волчком) называют массивное симметричное тело, вращающееся с большой скоростью вокруг оси симметрии (рис.5.5).

Момент количества движения гироскопа совпадает с его осью вращения. Для того, чтобы изменитьнаправление в пространстве оси гироскопа, т.е. направление вектора  необходимо в соответствие основным уравнением динамики вращательного движения  подействовать на него моментом внешних сил . Пусть это пара сил  создающая вращающий момент относительно оси , лежащей в плоскости чертежа перпендикулярно оси ОО (вращение вокруг ). При этом наблюдается следующее явление, получившее название гироскопического эффекта: под действием пары сил, которые, казалось бы, должны были вызвать поворот оси гироскопа ОО вокруг оси , ось гироскопа поворачивается вокруг прямой перпендикулярно к этим осям (т.е. к ОО и ). «Противоестественное» на первый взгляд поведение гироскопа оказывается, как легко видеть, полностью соответствует законам динамики вращательного движения, т.е. в конечном счете, законам Ньютона. Рассмотрим поведение гироскопа под действием момента силы  действующего вдоль оси За время  момент количества движения гироскопа  получит приращение , которое имеет такое же направление, как и . Момент количества движения гироскопа спустя время  будет равен результирующей , лежащей в плоскости чертежа. Направление вектора  совпадает с новым направлением оси вращения гироскопа. Таким образом, ось гироскопа повернется вокруг оси  (перпендикулярной плоскости чертежа), причем так, что угол между векторами и  уменьшится: Если действовать на гироскоп длительное время постоянным по направлению моментом внешних сил, то ось гироскопа устанавливается в конце концов так, что ось и направление собственного вращения совпадают с осью и направлением вращения под действием внешних сил (вектор , совпадает по направлению с вектором ).

intellect.ml

Реферат Гироскопический эффект

скачать

Реферат на тему:


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[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 позднее 1853 года Фессель изобрёл другой вариант подвески гироскопа[8].

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 [9][10].
  • 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[11] в новом смартфоне Apple iPhone 4 открывает новые возможности в 3D-играх и в формировании дополненной реальности[12]. 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

8.2.3. США

8.3.4. Франция

8.4.5. Германия

См. также

  • Складывание рамок
  • Гироскопия

wreferat.baza-referat.ru

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о