Гироскоп

Гироско́п — устройство, способное измерять изменение углов ориентации связанного с ним тела относительно инерциальной системы координат.

Основные типы гироскопов по количеству степеней свободы:

  • 2х-степенные,
  • 3х-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 гироско́пбыстро-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 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

Свойства роторного 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 момента, а по перпендикулярной ей. В результате этого, гироскоп вращается вокруг измерительной оси, перпендикулярной направлению вектора приложенного момента (явление прецессии).

Данное свойство напрямую связано с возникновением так называемой кориолисовой силы. Так, при воздействии момента внешней силы гироскоп поначалу будет вращаться именно в направленнии 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 перпендекулярном 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:

\mathbf{\tau}={{d \mathbf{L}}\over {dt}}={{d(I\mathbf{\omega})} \over {dt}}=I\mathbf{\alpha},

где векторы τ и L являются, соответственно, моментом силы, действующей на гироскоп, и его моментом импульса, скаляр I — его моментом инерции, векторы ω и α угловой скоростью и угловым ускорением.

Отсюда следует, что моментом силы τ, приложенный перпендикулярно оси вращения гироскопа, то есть перпендикулярный L, приводит к движению, перпендикулярному как τ, так и L, то есть к явлению прецессии. Угловая скорость прецессии ΩP гироскопа определяется его моментом импульса и моментом приложенной силы:

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

то есть ΩP обратно пропорциональна скорости вращения гироскопа.

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, т.е. он может совершать 3 независимых поворота вокруг осей АA', 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 — тяжёлыми 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 (гирокомпасы и т.п.), так и в нереактивных системах ориентации и стабилизации космических аппаратов.

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. При этом, надо учесть, что уровень развития гироскопии оказывал существенное влияние на обороноспособность, поэтому во времена холодной войны гироскопы разрабатывались в обстановке строжайшей секретности и информация о полученных результатах хранилась «за семью печатями». Для открытой же публикации, порой, подготавливались фальсифицированные данные.

Перспективы развития гироскопостроения

Сегодня созданы настолько точные гироскопические системы, что дальнейшего повышения точностей 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 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. 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 посредством использования 2 GPS-приёмников (иногда даже градусы), так и при подсчёте курса путём определения скорости самолёта (погрешность на угол скольжения). Поэтому в навигационных системах оптимальным решением, 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 применения 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.

Игрушки на основе гироскопа

Самыми простыми примерами игрушек, сделанных на основе гироскопа, являются йо-йо и волчок.
Кроме того, существуют кистевые тренажёры Powerball, которые также работают на гироскопическом эффекте.

Литература

  • Бороздин В.Н. Гироскопические приборы и устройства систем управления: Учеб. пособие для ВТУЗов., М., Машиностроение, 1990.
  • Булгаков Б. В. Прикладная теория гироскопов. 3-е изд., М., Изд-во Моск.ун-та, 1976.
  • Павловский М.А. Теория гироскопов: Учебник для ВУЗов., Киев, Вища Школа, 1986.

Ссылки

 
Начальная страница  » 
А Б В Г Д Е Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ы Э Ю Я
A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Home