Гироско́п (от др.-греч. «круг» + «смотрю») — устройство, способное реагировать на изменение углов ориентации тела, на котором оно установлено, относительно инерциальной системы отсчёта . Простейший пример гироскопа — юла (волчок) .

Термин впервые введен Ж. Фуко в своём докладе в 1852 году во Французской академии наук . Доклад был посвящён способам экспериментального обнаружения вращения Земли в инерциальном пространстве . Этим и обусловлено название «гироскоп».

История

До изобретения гироскопа человечество использовало различные методы определения направления в пространстве. Издавна люди ориентировались визуально по удалённым предметам, в частности, по Солнцу . Уже в древности появились первые приборы, основанные на гравитации: отвес и уровень . В средние века в Китае был изобретён компас , использующий магнетизм Земли. В Древней Греции были созданы астролябия и другие приборы, основанные на положении звёзд. С помощью гироскопа наблюдается явление прецессии. Гироскоп изобрёл Иоанн Боненбергер и опубликовал описание своего изобретения в 1817 году . Однако французский математик Пуассон ещё в 1813 году упоминает Боненбергера как изобретателя этого устройства . Главной частью гироскопа Боненбергера был вращающийся массивный шар в кардановом подвесе . В 1832 году американец Уолтер Р. Джонсон придумал гироскоп с вращающимся диском . Французский учёный Лаплас рекомендовал это устройство в учебных целях . 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 . Именно Фуко придумал название «гироскоп». Фуко, как и Боненбергер, использовал карданов подвес. Не позже 1853 года Фессель изобрёл другой вариант подвески гироскопа .

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 использовать электродвигатель для разгона и поддержания вращения 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.

Классификация

Основные типы гироскопов по количеству степеней свободы :

• двухстепенные,
• трехстепенные.

Основные два типа гироскопов по принципу действия:

• механические гироскопы,
• оптические гироскопы.

Также проводятся исследования по созданию ядерных гироскопов, использующих ЯМР для отслеживания изменения спина атомных ядер.

Механические гироскопы

Среди механических гироскопов выделяется ро́торный гироско́п — быстро вращающееся твёрдое тело ( ротор ), ось вращения которого может свободно 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 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 использовал Фуко в 1852 г. для экспериментальной демонстрации вращения Земли . Именно благодаря этой демонстрации гироскоп и получил своё название от греческих слов «вращение», «наблюдаю».

Свойства трёхстепенного роторного гироскопа

При воздействии момента внешней силы вокруг оси, перпендикулярной оси вращения ротора, гироскоп начинает поворачиваться вокруг оси прецессии , которая перпендикулярна моменту внешних сил.

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

${\displaystyle {\vec {M}}={{d{\vec {L}}} \over {dt}},}$

где векторы ${\displaystyle {\vec {M}}}$ и ${\displaystyle {\vec {L}}}$ являются, соответственно, моментом силы , действующей на гироскоп, и его моментом импульса .

Изменение вектора момента импульса ${\displaystyle {\vec {L}}}$ под действием момента силы возможно не только по величине, но и по направлению. В частности, момент силы ${\displaystyle {\vec {M}}}$ , приложенный перпендикулярно оси вращения гироскопа, то есть перпендикулярный ${\displaystyle {\vec {L}}}$ , приводит к движению, перпендикулярному как ${\displaystyle {\vec {M}}}$ , так и ${\displaystyle {\vec {L}}}$ , то есть к явлению прецессии . Угловая скорость прецессии ${\displaystyle {\vec {\Omega }}_{P}}$ гироскопа определяется его моментом импульса и моментом приложенной силы :

${\displaystyle {\vec {M}}={\vec {\Omega }}_{P}\times {\vec {L}},}$

то есть ${\displaystyle {\vec {\Omega }}_{P}}$ обратно пропорциональна моменту импульса ротора гироскопа или, при неизменном моменте инерции ротора — скорости его вращения.

Одновременно с возникновением прецессии, согласно следствию третьего закона Ньютона , гироскоп начнёт действовать на окружающие его тела моментом реакции, равным по величине и противоположным по направлению моменту ${\displaystyle {\vec {M}}}$ , 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 фиктивную силу инерции — так называемую кориолисову силу . 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 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

Вибрационные гироскопы — устройства, сохраняющие направление своих колебаний при повороте основания.

Оптические гироскопы

Делятся на лазерные гироскопы (активные оптические), пассивные оптические гироскопы, волоконно-оптические и интегрально-оптические (ВОГ и ИОГ). Принцип действия основан на эффекте Саньяка , открытом в 1913 году . Теоретически он 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. Величина эффекта прямо пропорциональна угловой скорости вращения интерферометра и площади , охватываемой путём распространения световых волн в интерферометре :

${\displaystyle \Delta t={\frac {4S\Omega }{c^{2}}},}$

где ${\displaystyle \Delta t}$ -разность времён прихода лучей, выпущенных в разных направлениях, ${\displaystyle S}$ — площадь контура, ${\displaystyle \Omega }$ — угловая скорость вращения гироскопа.

Так как величина ${\displaystyle \Delta t}$ очень мала, то её прямое измерение с помощью пассивных интерферометров возможно только в волоконно-оптических гироскопах с длиной волокна 500—1000 м. Во вращающемся кольцевом интерферометре лазерного гироскопа можно измерить фазовый сдвиг встречных волн, равный :

${\displaystyle \Delta \varphi ={\frac {8\pi S\Omega }{\lambda c}},}$

где ${\displaystyle \lambda }$ — длина волны.

Применение 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 . 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 .

Для управления гироскопом и снятия с него информации используются датчики угла и .

Гироскопы используются в виде компонентов как в системах навигации ( авиагоризонт , гирокомпас , ИНС и т. п.), так и в системах ориентации и стабилизации космических аппаратов. При использовании в гировертикали показания гироскопа должны корректироваться акселерометром (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 .

Системы стабилизации

Эти системы необходимы для поддержания желаемого параметра на определенном постоянном уровне. Для этого требуется задание требуемого значения регулируемой величины.

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 стабилизации полёта неуправляемых боеприпасов ручного и артиллерийского нарезного оружия путём придания им вращения вокруг продольной оси . Это же может достигаться в некоторых боеприпасах оперением, установленным под определённым углом к продольной оси, к примеру, в реактивных снарядах . В управляемых боеприпасах, в частности, в крылатых ракетах , могут применяться гироскопы.

Новые типы гироскопов

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 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 США , ЕС , Японии , России выданы тысячи патентов на 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 развития квантовых гироскопов .

Перспективы развития гироскопической навигации

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. 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 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 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 точнее ИНС на длинных участках. 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

Значительное удешевление производства МЭМС -датчиков привело к тому, что они все чаще используются в смартфонах и игровых приставках .

Гироскопы применялись в контроллерах для игровых приставок: Sixaxis для Sony PlayStation 3 и Wii MotionPlus для 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 направление вектора силы 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.

Игрушки на основе гироскопа

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

Кроме того, существует спортивный гироскопический тренажёр .

Ряд радиоуправляемых вертолётов использует гироскоп.

Минимум три гироскопа нужны для полёта мультикоптеров , в частности квадрокоптеров.

См. также

• Прецессия
• Складывание рамок
• Гироскопия (приборостроение)
• Гиростабилизатор

Примечания

Литература

• 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. , 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 .

Ссылки

• - научно-популярный фильм, производство Ленфильм .
• ^{[ уточнить ]} Proceedings of Anniversary Workshop on Solid-State Gyroscopy (19-21 May, 2008. Yalta, Ukraine). — Kyiv-Kharkiv. ATS of Ukraine. 2009. — ISBN 978–976–0-25248-5. См. также материалы последующих семинаров : International Workshops on Solid-State Gyroscopy (Международные семинары по Твёрдотельной гироскопии) от 8 марта 2021 на Wayback Machine
• .