УДК 531.1
, группа БИО-301
Научный руководитель: , к. т.н., доцент
Гироско́п («круг» и «смотрю») - устройство, способное реагировать на изменение углов ориентации тела, на котором оно установлено, относительно инерциального пространства [5]. Простейший пример гироскопа - юла (волчок). Термин впервые введен Жаном Фуко в его докладе в 1852 г. Доклад был посвящён способам экспериментального обнаружения вращения Земли в инерциальном пространстве. Этим и обусловлено название «гироскоп».
До изобретения гироскопа человечество использовало различные методы определения направления в пространстве. Издревле люди ориентировались визуально по удалённым предметам, в частности, по Солнцу. Уже тогда 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 г. Главной частью гироскопа Боненбергера был вращающийся массивный шар в кардановом подвесе. 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 [7, 8].
Среди механических гироскопов выделяется роторный гироскоп - быстро вращающееся твёрдое тело (ротор), ось вращения которого может свободно изменять ориентацию в пространстве [4, 6]. 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.
Вибрационные гироскопы - это устройства, сохраняющие плоскость своих колебаний при повороте основания. В зарубежной литературе также употребляется термин «Кориолисовы вибрационные гироскопы» - так как принцип их действия основан на эффекте действия силы Кориолиса, как и у роторных гироскопов.
Существуют также оптические гироскопы, в которых луч лазера циркулирует с помощью зеркал и постоянно усиливается лазером. Замкнутый контур имеет ответвление в датчик на базе интерферометра. Принцип их действия основан на эффекте Саньяка, открытом в 1913 г.
Свойства гироскопа используются в приборах - гироскопах, основной частью которых является быстро вращающийся ротор, который имеет несколько степеней свободы. Гироскопы используются в системах стабилизации и навигации [1, 2, 3]. При использовании в гировертикали показания гироскопа должны корректироваться акселерометром (маятником), так как из-за суточного вращения земли и ухода гироскопа, происходит отклонение от истиной вертикали.
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.
Используются гироскопы также в смартфонах (см. рис.1, а) и игровых приставках (см. рис.1, б). Так, например, появление МЭМС-гироскопа в новом смартфоне Apple iPhone 4 открывает новые возможности в 3D-играх и в формировании дополненной реальности. Уже сегодня разные производители смартфонов и игровых приставок собираются использовать МЭМС-гироскопы в своих продуктах. Гироскоп даёт программе данные о том, как ориентирован смартфон относительно реального мира, а программа связывает эти данные с виртуальным миром. Также гироскоп стал применяться в управляющих игровых контроллерах, таких как: Sixaxis для Sony PlayStation.
На основе гироскопов создаются игрушки и тренажеры. Самыми простыми примерами игрушек, сделанных на основе гироскопа, являются йо-йо, волчок (юла) и модели вертолетов (см. рис.1, в). Волчки отличаются от гироскопов тем, что не имеют ни одной неподвижной точки. Кроме того, существуют спортивные гироскопические тренажёры (см. рис.1, г).
|
|
|
|
а | б | в | г |
Рис. 1. Применение гироскопов |
Список литературы
1. Бороздин, приборы и устройства систем управления: Учеб. пособие для ВТУЗов., М., Машиностроение, 19с.
2. Матвеев, В. В., Распопов, построение бесплатформенных инерциальных навигационных систем / Под ред. . - 2-е изд. - СПб.: ЦНИИ «Электроприбор», 20с.
3. Гироскопические системы / Под ред. . В 3 ч. М.: Высш. шк., . Ч. 1: Теория гироскопов и гироскопических стабилизаторов. 1986; Ч. 2: Гироскопические приборы и системы. 1988; Ч. 3: Элементы гироскопических приборов. 1988.
4. Меркурьев, И. В., Подалков, микромеханического и волнового твердотельного гироскопов. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 20с.
5. Павловский, гироскопов: Учебник для ВУЗов., Киев, Вища Школа, 19с.
6. Пельпор, системы: Гироскопические приборы и системы. - 2-е изд. - М.: Высшая школа, 1988. - Т.с.
7. Савельев, общей физики: Механика. - М.: Астрель, 2004. - Т.с.
8. Сивухин, курс физики. - Издание 5-е, стереотипное. - М.: Физматлит, 2006. - Т. I. Механикас.
