Гироскоп

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Иллюстрация к основному свойству 3-степенного гироскопа — гироскопа вкардановом подвесе.При нулевом моменте, воздействующем на ось гироскопа, её направление в пространстве остается неизменным
Анимация прецессии механического гироскопа. Опрокидывающий момент вызывает прецессию, перпендикулярную к вектору момента

Гироско́п(отдр.-греч.γῦρος«круг» +σκοπέω«смотрю») — устройство, способное реагировать на изменениеугловориентациитела, на котором оно установлено, относительноинерциальной системы отсчёта.Простейший пример гироскопа —юла (волчок).

Термин впервые введенЖ. Фуков своём докладе в1852 годувоФранцузской академии наук.Доклад был посвящён способам экспериментального обнаружениявращения Земливинерциальном пространстве.Этим и обусловлено название «гироскоп».

Гироскоп, изобретённый Фуко (построил Дюмолен-Фромент, 1852)

До изобретения гироскопа человечество использовало различные методы определения направления в пространстве. Издавна люди ориентировались визуально по удалённым предметам, в частности, поСолнцу.Уже в древности появились первые приборы, основанные на гравитации:отвесиуровень.В средние века в Китае был изобретёнкомпас,использующий магнетизм Земли. В Древней Греции были созданыастролябияи другие приборы, основанные на положении звёзд. С помощью гироскопа наблюдается явление прецессии. Гироскоп изобрёлИоанн Боненбергери опубликовал описание своего изобретения в1817 году[1].Однако французский математикПуассонещё в 1813 году упоминает Боненбергера как изобретателя этого устройства[2].Главной частью гироскопа Боненбергера был вращающийся массивныйшарвкардановом подвесе[3].В 1832 году американец Уолтер Р. Джонсон придумал гироскоп с вращающимся диском[4][5].Французский учёныйЛапласрекомендовал это устройство в учебных целях[6].В 1852 году французский учёныйФукоусовершенствовал гироскоп и впервые использовал его как прибор, показывающий изменение направления (в данном случае — Земли), через год после изобретениямаятника 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 использоватьэлектродвигательдля разгона и поддержания вращения гироскопа. Впервые на практике гироскоп был применён в 1880-х годах инженером Обри для стабилизации курсаторпеды.В XX веке гироскопы стали использоваться в самолётах, ракетах и подводных лодках вместо компаса или совместно с ним.

Классификация

[править|править код]

Основные типы гироскопов по количествустепеней свободы:

  • двухстепенные,
  • трехстепенные.

Основные два типа гироскопов по принципу действия:

  • механические гироскопы,
  • оптические гироскопы.

Также проводятся исследования по созданию ядерных гироскопов, использующихЯМРдля отслеживанияизмененияспина атомных ядер.[9]

Механические гироскопы

[править|править код]

Среди механических гироскопов выделяетсяро́торный гироско́п— быстро вращающеесятвёрдое тело(ротор),ось вращениякоторого может свободно изменять ориентацию в пространстве. При этомскоростьвращения 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 использовалФуков1852г. для экспериментальной демонстрациивращения Земли.Именно благодаря этой демонстрации гироскоп и получил своё название от греческих слов «вращение», «наблюдаю».

Свойства трёхстепенного роторного гироскопа

[править|править код]
Прецессия механического гироскопа.

При воздействиимоментавнешнейсилывокруг оси, перпендикулярной оси вращения ротора, гироскоп начинает поворачиваться вокруг осипрецессии,которая перпендикулярна моменту внешних сил.

Поведение гироскопа в инерциальной системе отсчёта описывается, согласно следствиювторого закона Ньютона,уравнением

гдевекторыиявляются, соответственно,моментом силы,действующей на гироскоп, и егомоментом импульса.

Изменение вектора момента импульсапод 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 явлениюпрецессии.Угловая скорость прецессиигироскопа определяется его моментом импульса и моментом приложенной силы[10]:

то естьобратно пропорциональна моменту импульса ротора гироскопа или, при неизменном моменте инерции ротора — скорости его вращения.

Одновременно с возникновением прецессии, согласно следствиютретьего 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 фиктивнуюсилу инерции— так называемуюкориолисову силу.Так, при воздействии момента внешней силы гироскоп поначалу будет вращаться именно в направлении действия внешнего момента (нутационныйбросок). Каждая частица гироскопа будет таким образом двигаться с переноснойугловой скоростьювращения 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

[править|править код]

Вибрационныегироскопы — устройства, сохраняющие направление своих колебаний при повороте основания.

Оптические гироскопы

[править|править код]
Схема лазерного гироскопа. Здесь луч лазера циркулирует с помощью зеркал и постоянно усиливается лазером. Замкнутый контур имеет ответвление в датчик на базе интерферометра

Делятся налазерные гироскопы(активные оптические), пассивные оптические гироскопы,волоконно-оптическиеи интегрально-оптические (ВОГ и ИОГ). Принцип действия основан наэффекте Саньяка,открытом в 1913 году[11][12].Теоретически он объясняется с помощьюСТО.Согласно СТО, скорость света постоянна в любойинерциальной системе отсчёта[13].В то время как внеинерциальной системеона может отличаться от c[14].При посылке луча света в направлении вращения прибора и против направления вращения разница во времени прихода лучей (определяемаяинтерферометром) позволяет найти разницу оптических путей лучей в инерциальной системе отсчёта, и, следовательно, величину углового поворота прибора за время прохождения луча. Величина эффекта прямо пропорциональнаугловой скорости вращенияинтерферометра иплощади,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 величинаочень мала, то её прямое измерение с помощью пассивных интерферометров возможно только в волоконно-оптических гироскопах с длиной волокна 500—1000 м. Во вращающемся кольцевоминтерферометрелазерного гироскопа можно измерить фазовый сдвиг встречных волн, равный[11]:

где— длина волны.

Применение в технике

[править|править код]
Схема простейшего механического гироскопа в карданном подвесе

Свойства гироскопа используются в приборах — гироскопах, основной частью которых является быстро вращающийсяротор,который имеет несколько степеней свободы (осей возможного вращения).

Чаще всего используются гироскопы, помещённые вкарданов подвес.Такие гироскопы имеют 3 степени свободы, то есть он может совершать 3 независимых поворота вокруг осейАА',BB'иCC',пересекающихся в центре подвесаО,который остаётся по отношению к основаниюAнеподвижным.

Гироскопы, у которыхцентр масссовпадает с центром подвесаO,называются астатическими, в противном случае — статическими гироскопами.

Для обеспечения вращения ротора гироскопа с высокой скоростью применяются специальныегиромоторы.

Для управления гироскопом и снятия с него информации используютсядатчики углаидатчики момента.

Гироскопы используются в виде компонентов как в системах навигации (авиагоризонт,гирокомпас,ИНСи т. п.), так и в системах ориентации и стабилизации космических аппаратов. При использовании вгировертикалипоказания гироскопа должны корректироватьсяакселерометром(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].

Системы стабилизации

[править|править код]

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 стабилизацииполёта неуправляемых боеприпасовручного и артиллерийскогонарезного оружияпутём придания им вращения вокруг продольной оси[17].Это же может достигаться в некоторых боеприпасах оперением, установленным под определённым углом к продольной оси, к примеру, вреактивных снарядах.В управляемых боеприпасах, в частности, вкрылатых ракетах,могут применяться гироскопы.

Новые типы гироскопов

[править|править код]
Кольцевойлазерныйгироскопкиевского завода «Арсенал»наМАКС-2011

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 чувствительныхдатчиковдля измерения и отображения параметров углового движения объекта.

В настоящее время известноболее старазличных явлений и физических принципов, которые позволяют решать гироскопические задачи. ВСША,ЕС,Японии,Россиивыданы тысячипатентовна 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 развитияквантовых гироскопов.

Перспективы развития гироскопической навигации

[править|править код]

Сегодня созданы достаточно точные гироскопические системы, удовлетворяющие большой круг потребителей. Сокращение средств, выделяемых длявоенно-промышленного комплексав бюджетах ведущих мировых стран, резко повысило интерес к гражданским применениям гироскопической техники. Например, сегодня широко распространено использованиемикромеханическихгироскопов в системах стабилизацииавтомобилейиливидеокамер.

По мнению сторонников таких методов навигации, какGPSиГЛОНАСС,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 разрабатываетсясистема 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 сигналаDGPS.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 точнееИНСнадлинныхучастках. 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.

Использование в бытовой технике

[править|править код]

Значительное удешевление производстваМЭМС-датчиков привело к тому, что они все чаще используются всмартфонахиигровых приставках.

Гироскопы применялись в контроллерах для игровых приставок:Sixaxisдля Sony PlayStation 3 иWii MotionPlusдля 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 направлениевекторасилы 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]

Игрушки на основе гироскопа

[править|править код]

Самыми простыми примерамиигрушек,сделанных на основе гироскопа, являютсяйо-йо,волчок (юла),спиннер(волчки отличаются от гироскопов тем, что не имеют ни одной неподвижной точки).

Кроме того, существует спортивныйгироскопический тренажёр.

Рядрадиоуправляемых вертолётовиспользует гироскоп.

Минимум три гироскопа нужны для полётамультикоптеров,в частности квадрокоптеров.

  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 Arz quần lót nde,vol. 3, pages 72-83. В интернете:http:// ion.org/museum/files/File_1.pdfАрхивная копияот 19 июля 2011 наWayback Machine
  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:// ion.org/museum/files/File_2.pdfАрхивная копияот 19 июля 2011 наWayback Machine
  3. Фото гироскопа Боненбергера:http:// ion.org/museum/item_view.cfm?cid=5&scid=12&iid=24Архивная копияот 28 сентября 2007 наWayback Machine
  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:https://books.google /books?id=BjwPAAAAYAAJ&pg=PA265&lpg=PR5&dq=Johnson+rotascope&ie=ISO-8859-1&output=htmlАрхивная копияот 30 сентября 2014 наWayback Machine
  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:https://books.google /books?id=fEyT4sTd7ZkC&pg=PA178&dq=Johnson+rotascope&ie=ISO-8859-1&output=htmlАрхивная копияот 25 сентября 2014 наWayback Machine
  6. Wagner JF, "The Machine of Bohnenberger," The Institute of Navigation. В интернете:http:// ion.org/museum/item_view.cfm?cid=5&scid=12&iid=24Архивная копияот 28 сентября 2007 наWayback Machine
  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.
  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:https://books.google /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=9Архивная копияот 30 сентября 2014 наWayback Machine.
  9. Ядерный гироскопАрхивная копияот 16 января 2014 наWayback Machine(Физический энциклопедический словарь);Northrop Grumman продемонстрировала миниатюрный гироскоп micro-NMRGАрхивная копияот 9 ноября 2013 наWayback Machine,30.10.2013;Nuclear Magnetic Resonance GyroscopesАрхивная копияот 16 января 2014 наWayback Machine,NIST
  10. Савельев, 2004,с. 190-197.
  11. 123Распопов, 2009,с. 62—64.
  12. Georges Sagnac.L’ether lumineux demontre par l’effet du vent relatif d’ether dans un interferometre en rotation uniformeАрхивная копияот 26 мая 2013 наWayback Machine,Comptes Rendus157 (1913), S. 708—710
  13. 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.
  14. Савельев, 2004,с. 255—256.
  15. Пельпор, 1988,с. 170-171.
  16. 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.
  17. 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.
  18. [1]Архивная копияот 16 января 2014 наWayback Machine[2]Архивная копияот 16 января 2014 наWayback Machine[3]Архивная копияот 10 апреля 2022 наWayback Machine
  19. First MEMS gyro smartphone to ship in June; it won’t be the lastАрхивная копияот 24 сентября 2015 наWayback 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.
  • Гироско́п /Тарг С. М.// Газлифт — Гоголево. —М.:Советская энциклопедия, 1971. — С. 557—558. — (Большая советская энциклопедия:[в 30 т.]/ гл. ред.А. М. Прохоров;1969—1978, т. 6).
  • Тарг С. М.Гироско́п // Физика. Большой энциклопедический словарь / Гл. ред.А. М. Прохоров.— 4-е изд. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1998. — C. 125—127. — 944 с: ил., 2 л. цв. ил. — ISBN 5—85270—306—0 (БРЭ).