Гироскоп

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Перейти к: навигация, поиск
Не следует путать с термином «гороскоп».
Иллюстрация к основному свойству 3-степенного гироскопа (идеализированное функционирование).

Гироско́п(от др.-греч. γυρο «вращение» и др.-греч. σκοπεω «смотреть») — устройство, способное измерять изменение углов ориентации связанного с ним тела относительно инерциальной системы координат.

Схема простейшего механического гироскопа в карданном подвесе

Основные типы гироскопов по количеству степеней свободы:

  • 2-степенные,
  • 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.
Среди механических гироскопов выделяется ро́торный гироско́п — быстро вращающееся твёрдое тело, 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».

Содержание

[править] Свойства роторного гироскопа

Структура механического гироскопа.

При воздействии по оси чувствительности момента внешней силы, стремящейся изменить направленность в пространстве оси собственного вращения, эта ось гироскопа начинает отклоняться не по оси действия силы, а по перпендикулярной ей. В результате гироскоп вращается вокруг измерительной оси, перпендикулярной направлению вектора приложенной силы (явление прецессии).

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 направлению, 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:

\vec{M}={{d \vec{L}}\over {dt}}={{d(I\vec{\omega})} \over {dt}}=I\vec{\varepsilon},

где векторы \vec{M} и \vec{L} являются, соответственно, моментом силы, действующей на гироскоп, и его моментом импульса, скаляр ~I — его моментом инерции, векторы \vec{\omega} и \vec{\varepsilon} угловой скоростью и угловым ускорением.

Отсюда следует, что момент силы \vec{M}, приложенный перпендикулярно оси вращения гироскопа, то есть перпендикулярный \vec{L}, приводит к движению, перпендикулярному как \vec{M}, так и \vec{L}, то есть к явлению прецессии. Угловая скорость прецессии \vec{\Omega}_P гироскопа определяется его моментом импульса и моментом приложенной силы:

\vec{\tau}=\vec{\Omega}_P \times \vec{L},

то есть \vec{\Omega}_P обратно пропорциональна скорости вращения гироскопа.

[править] 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, размещённые в карданном (кардановом) подвесе (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.

[править] 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.

[править] Новые типы гироскопов

Постоянно растущие требования к точностным и эксплутационным 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. Даже их беглое перечисление представляет невыполнимую задачу.

Поскольку прецизионные гироскопы использовались 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.

[править] Перспективы развития гироскопостроения

Сегодня созданы настолько точные гироскопические системы, что дальнейшего повышения точности многим потребителям уже не требуется, а сокращение средств, выделяемых для военно-промышленного комплекса в бюджетах ведущих мировых стран, резко повысило интерес к гражданским применениям гироскопической техники, которые были ранее на периферии внимания разработчиков. Например, использование микромеханических гироскопов для систем стабилизации движения автомобилей или видеокамер, в мобильных телефонах.

В то же время выдающийся прогресс в области высокоточной спутниковой навигации GPS и ГЛОНАСС, по мнению сторонников этих методов навигации, сделал ненужными автономные средства навигации в тех случаях, когда сигнал со спутника может приниматься непрерывно. Дело в том, говорят они, что разрабатываемая сейчас система навигационных спутников третьего поколения 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 даже курсовых гироскопов, ибо сравнение показаний двух приемников спутниковых сигналов, установленных на расстоянии в несколько метров, например, на крыльях самолета, позволяет получить информацию о повороте самолета вокруг вертикальной оси. Такая система, как они считают, оставляет не у дел десятки тысяч работников предприятий, выпускающих гироскопы для самолётов и морских кораблей.

Однако на деле системы GPS оказываются неспособны сколь-либо точно определять положение в городских условиях, при плохой видимости спутников. Такие же проблемы обнаруживаются в лесистой местности. Даже в самолётах GPS, хотя и оказывается точнее акселерометров на длинных участках, даёт большие погрешности как при измерении углов (иногда даже градусы) посредством использования двух GPS-приёмников, так и при подсчёте курса путём определения скорости самолёта (погрешность на угол скольжения). Поэтому в навигационных системах оптимальным решением, по крайне мере сейчас, является комбинация гироскопической системы и GPS.

В силу перечисленных обстоятельств эволюционное развитие гироскопической техники за последние десятилетия подступило к порогу качественных изменений, и именно поэтому внимание специалистов в области гироскопии сосредоточилось сейчас на поиске нестандартных применений таких приборов. Открылись совершенно новые интересные задачи. Это и разведка полезных ископаемых, и предсказание землетрясений, и сверхточное измерение положений железнодорожных путей и нефтепроводов, медицинская техника и многие другие.

[править] Игрушки на основе гироскопа

Самыми простыми примерами игрушек, сделанных на основе гироскопа, являются йо-йо и волчок (юла).
Кроме того, существуют кистевые тренажёры Powerball, которые также работают на гироскопическом эффекте. Особенность работы такого тренажёра рассмотрена в статье гиротренажёр.

[править] Литература

  • Бороздин В. Н. Гироскопические приборы и устройства систем управления: Учеб. пособие для ВТУЗов., М., Машиностроение, 1990.
  • Павловский М. А. Теория гироскопов: Учебник для ВУЗов., Киев, Вища Школа, 1986.

[править] Ссылки

Источник — «http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D0%B8%D1%80%D0%BE%D1%81%D0%BA%D0%BE%D0%BF»