навигационный прибор, основным элементом которого является быстро вращающийся ротор, закрепленный так, что ось его вращения может поворачиваться. Три степени свободы (оси возможного вращения) ротора гироскопа обеспечиваются двумя рамками карданова подвеса. Если на такое устройство не действуют внешние возмущения, то ось собственного вращения ротора сохраняет постоянное направление в пространстве. Если же на него действует момент внешней силы, стремящийся повернуть ось собственного вращения, то она начинает вращаться не вокруг направления момента, а вокруг оси, перпендикулярной ему (прецессия).
В хорошо сбалансированном (астатическом) и достаточно быстро вращающемся гироскопе, установленном на высокосовершенных подшипниках с незначительным трением, момент внешних сил практически отсутствует, так что гироскоп долго сохраняет почти неизменной свою ориентацию в пространстве. Поэтому он может указывать угол поворота основания, на котором закреплен. Именно так французский физик Ж.Фуко (18191868) впервые наглядно продемонстрировал вращение Земли. Если же поворот оси гироскопа ограничить пружиной, то при соответствующей установке его, скажем, на летательном аппарате, выполняющем разворот, гироскоп будет деформировать пружину, пока не уравновесится момент внешней силы. В этом случае сила сжатия или растяжения пружины пропорциональна угловой скорости движения летательного аппарата. Таков принцип действия авиационного указателя поворота и многих других гироскопических приборов. Поскольку трение в подшипниках очень мало, для поддержания вращения ротора гироскопа не требуется много энергии. Для приведения его во вращение и для поддержания вращения обычно бывает достаточно маломощного электродвигателя или струи сжатого воздуха.
Ригли У., Холлистер У., Денхард У. Теория, проектирование и испытания гироскопов
. М., 1972
Бабаева Н.Ф. Гироскопы
. Л., 1973
Поплавский М.А. Теория гироскопов
. Киев, 1986
Найти "ГИРОСКОП " на
Когда пытаешься повернуть крутящееся тело, возникает сила, которая действует перпендикулярно силе, которую прикладываешь к нему. На втором рисунке видно, что, когда части колеса, обозначенные точками A и B, поворачиваются на 90 градусов, они стремятся повернуть колесо в плоскости экрана по часовой стрелке. Это называется прецессия . Из-за этой силы ось волчка всегда ходит по кругу, если запустить его не ровно, very non-intuitive .
Помечтаем о лете, представим себе, что мы едем на велике. Переднее колесо нам хорошо видно, почти сверху. Если мы пытаемся повернуть, например, налево, то мы прилагаем усилие к оси колеса. Тем частям колеса, которые в данный момент впереди, передается импульс, направленный влево, а задним частям колеса идет импульс вправо.
Но, поскольку мы быстро едем, и колесо крутится, то та часть, которая только что была впереди, оказывается сзади, и небольшой импульс, который мы успели придать этой части колеса работает уже в противоположном направлении, и поворачивает его в обратную сторону.
Получается, что из-за вращения колеса мы сами себе мешаем повернуть его. То есть, то усилие, которое мы прилагаем, чтобы повернуть колесо, нам же возвращается через пол-оборота колеса.
Любой вращающийся предмет можно назвать гироскопом. Он противодействует отклонению оси вращения, а люди этим активно пользуются:
В контроллерах современных игровых консолей и в iPhone 4 есть гироскопы, но они устроены по совсем другому принципу .
В приборах навигации в самолетах и космических аппаратах. Хорошо сбалансированный гироскоп на специальных шарнирах, установленный на самолет, всегда сохраняет свое положение в пространстве, никакие фигуры высшего пилотажа не собьют его. Это позволяет приборам самолета всегда знать, где низ.
В оружии. Пуля при стрельбе закручивается, что придает ей гораздо большую устойчивость, это сильно повышает точность стрельбы.
Колеса велосипеда или мотоцикла работают как гироскопы, и это не дает ездоку упасть. На велосипеде сложнее ехать медленно, чем быстро, потому что на большой скорости колеса крутятся быстрее и делают его устойчивее.
Есть много игрушек, где главная деталь - гироскоп: всевозможные волчки и йо-йо, с которыми можно делать вот такие трюки:
Новейшие смартфоны оснащены многочисленными датчиками. Одним из самых полезных модулей выступает гироскоп. Для чего такое устройство внедряют в системы сотовых телефонов? Гироскоп в смартфоне - что это? Какие функции на него возложены? Обо всем этом пойдет речь в нашей публикации.
Краткий экскурс в историю
Гироскоп - изобретение французского ученого Леона Фуко. Прототип, согласно принципу работы которого функционируют современные устройства, использовался физиком в целях отслеживания особенностей суточного вращения планеты.
Инновационные гироскопы используются не только для отслеживания специфики колебания различных тел. В наши дни основным назначением прибора является определение углов отклонения предметов по отношению к плоскостям. Для чего нужен гироскоп в смартфоне? Комбинирование такого модуля с акселерометром открывает возможность для отслеживания движений телефона в трехмерном пространстве.
Впервые средство сотовой связи с таким модулем на борту представила компания Apple. Случилось это в ходе презентации модели смартфона iPhone 4. Впоследствии инновационному решению стали подражать самые различные разработчики телефонов.
Гироскоп в смартфоне - что это?
Гироскоп в сотовом телефоне не имеет ничего общего с традиционным механическим устройством. Здесь модуль представляет собой микроскопическую электронную плату, которая способна вычислять угловые скорости, передавая соответствующую информацию в виде электрических сигналов. Как правило, габариты такого чипа составляют всего лишь несколько миллиметров. Если отвечать в общих чертах на вопрос: "Гироскоп в смартфоне - что это?", то несведущему человеку может показаться, что никакой особой пользы владельцу эта фишка не несет - применение устройства направлено всего лишь на определение отклонения мобильного гаджета от собственной оси. Но так ли это?
Отличие гироскопа от акселерометра
Гироскоп в смартфоне - что это? Такой модуль способен передавать данные тем или иным приложениям об угле наклона мобильного гаджета по отношению к земной поверхности. Подобная функция закреплена также за акселерометром. Однако указанные девайсы имеют различный принцип работы. Ведь функционирование акселерометра основано на вычислении собственного ускорения в пространстве. На практике отмеченные возможности обеих систем оказываются взаимозаменяемыми. Именно по этой причине современные смартфоны оснащаются как гироскопом, так и акселерометром.
Функции гироскопа
Зачем нужен гироскоп в смартфоне? Применение датчика открывает следующие возможности. В первую очередь благодаря элементарному встряхиванию мобильного телефона пользователь способен быстро ответить на входящий звонок. Гироскоп позволяет просматривать изображения, переключать аудиозаписи в плеере, облегчает переворачивание страниц во время просмотра текстовых документов.
Еще зачем гироскоп в смартфоне? Чрезвычайно удобным модуль становится при использовании калькулятора. Благодаря отклонению гаджета в ту или иную сторону можно выбирать функции умножения, деления, вычитать и слагать значения.
Разработчики мобильных устройств нашли применение гироскопу также при работе с различными приложениями и программным обеспечением. При встряхивании некоторых устройств автоматически происходит обновление Bluetooth. Очень удобным наличие модуля становится при необходимости измерения уровней и углов наклона.
Гироскоп незаменим в случае работы с электронными картами. Модуль дает возможность определять точное положение пользователя на определенной местности. При запуске навигатора карта будет менять положение вслед за поворотом человека. Если пользователь развернется лицом к тому или иному объекту, это сразу же отобразится на визуальной схеме. Такая функция будет крайне полезной для людей, которые увлекаются активным отдыхом, в частности путешествиями и ориентированием на местности.
Без гироскопа не могут обойтись любители мобильных игр. Функциональный модуль способствует созданию более реалистичной картинки и облегчает управление. Особенно правдоподобными благодаря гироскопу становятся всевозможные симуляторы, шутеры, трехмерные бродилки. Чтобы езда на виртуальной машине либо полет на самолете казались более реальными, достаточно изменения положения смартфона в одной из плоскостей.
Если пользователь мобильного телефона в дальнейшем планирует использовать шлем виртуальной реальности, в таком случае наличие гороскопа выступает обязательным условием. Без датчика станет невозможным отслеживание системой смартфона поворотов головы, перемещения человека в пространстве.
Недостатки
Но наличие в смартфоне гироскопа может обернуться минусом, да таким, что отдельные пользователи стараются сразу же отключить функциональный модуль. Речь идет о реакции некоторых приложений на изменения положения сотового телефона в пространстве со значительным запозданием.
Сравнительным недостатком наличия гироскопа в смартфоне выступают неудобства, которые способны возникать при чтении электронной книги. Если пользователь произвольно меняет позу, датчик тут же преобразит ориентацию странички в соответствующей плоскости. Подобные моменты обычно вызывают раздражение.
Как определить, есть ли гироскоп в смартфоне
Узнать о присутствии функционального модуля в системе мобильного устройства можно несколькими способами. Наиболее простой и доступный вариант - ознакомление с описанием модели смартфона на официальном сайте изготовителя либо просмотр прилагающейся к гаджету технической документации.
Существуют и другие решения. Например, можно прибегнуть к установке на телефон специальных приложений. Одним из таковых выступает AnTuTu Benchmark. После инсталляции и запуска приложения достаточно перейти на вкладку «Информация». Через несколько мгновений на экране отобразятся все спецификации смартфона.
В качестве альтернативы вышеуказанному варианту можно воспользоваться утилитой Sensor Sense. Приложение фиксирует данные, которые исходят со всех датчиков, встроенных в мобильное устройство. Если в списке «запеленгованных» модулей не окажется гироскопа, это будет свидетельствовать о его отсутствии.
Гироскоп в переводе с древнегреческого языка означает смотреть вращение - это устройство, которое способно измерить у связанного с ним предмета изменение углов его ориентации относительно инерциальных систем координат и которое основано на законе сохранения момента импульса. Гироскопы от количества степеней свободы подразделяются на двухстепенные и на трехстепенные. А по своему принципу действия гироскопы могут делиться на механические гироскопы и оптические гироскопы. Также принято гироскопы делить по режиму их действия на указатели направления и датчики угловой скорости. Зачастую одни устройства могут функционировать в различных режимах и это зависит от типа управления.
Из механических гироскопов особую позицию занимает роторный гироскоп. Принцип его действия основан на быстром вращении твёрдого тела, имеющего ось вращения, которая изменяет свою ориентацию в пространстве. Скорость вращения гироскопа при этом значительно больше скорости поворота его оси вращения. Основным свойством гироскопов этого типа - это способность четко сохранять в пространстве постоянное направление своей оси вращения и при этом отсутствует воздействие на эту ось момента внешней силы. Впервые такое свойство показал Фуко в 1852 году, когда он экспериментально демонстрировал вращение планеты Земля. Именно из-за этой демонстрации вращения твердого тела гироскоп и получил такое название, происходящее от греческих слов: смотреть и вращение.
Двухосный роторный гироскоп, его свойства и прецессия механического гироскопа.
Когда происходит поворот гироскопа вокруг оси прецессии, перпендикулярной моменту внешних сил, когда момент внешней силы воздействует вокруг оси, которая перпендикулярна оси вращения его ротора, тогда гироскоп поворачивается вокруг оси прецессии, перпендикулярной моменту внешних сил. Так, если позволить гироскоповой оси передвигаться только в плоскости горизонтальной, тогда ось самого гироскопа стремится стать по меридиану, но при том так становится, что вращение гироскопа происходит точно так, как и вращение нашей планеты. Если же ось будет двигаться вертикально (в плоскости меридиана), то ось будет стремиться установаться параллельно оси земли. поэтому это исключительное свойство гироскопа определило широкое применение данного прибора.
Напрямую связано с появлением кориолисовой силы это свойство гироскопа. Так гироскоп при действии момента внешней силы вначале начинает поворачиваться именно в таком направлении действия возникающего внешнего момента, так называемый нутационный бросок. При этом все частицы гироскопа благодаря возникающему моменту будут в это время передвигаться с переносной угловой скоростью его вращения. Однако роторный гироскоп, кроме этого, и сам тоже вращается, следовательно, каждая частица гироскопа будет иметь свою относительную скорость. Поэтому возникает кориолисова сила, которая и будет пытаться заставить гироскоп двигаться только в перпендикулярном направлении, благодаря приложенному моменту, то есть выполнять прецессию. Прецессия будет вызывать кориолисову силу, момент которой скомпенсирует момент внешней силы.
Вибрационные гироскопы - это такие устройства, которые сохраняют свои колебания в только одной плоскости, когда происходит поворот. Такой тип гироскопа является намного проще и дешевле при сопоставимой точности, если сравнивать его с роторным гироскопом. Если посмотреть чаще всего встречающуюся литературу, то там употребляется в последнее время термин как «кориолисовы вибрирующие гироскопы», принцип действия кориолисовых вибрирующих гироскопов основан на эффекте самой силы Кориолиса, которая присутствует и у гироскопов роторного типа.
Это свойство используются в приборах, у которых основной частью является ротор, быстро вращающийся и который имеет некоторое количество степеней свободы или осей возможного вращения. Наибольшее применение нашли гироскопы, помещённые в так называемый карданов подвес. А так как эти гироскопы имеют только три степени свободы, то гироскоп может совершать лишь три независимых поворота вокруг своих осей. Астатическими называются гироскопы, имеющие совпадение центра подвеса совпадает и центра масс, в противном случае приборы называются статическими гироскопами. Если обеспечивать высокоскоростное вращение ротора гироскопа, то для этого применяются обычно специальные гиромоторы. При управлении гироскопом и для снятия с него интересующей информации обычно используются датчики момента и датчики угла. Гироскопы также используются в виде необходимых компонентов как в разных системах навигации (авиагоризонты, гирокомпасы и тому подобное), а также и в других нереактивных системах стабилизации и ориентации космических аппаратов.
Гироскопы предназначены для гашения угловых перемещений моделей вертолетов вокруг оси, или стабилизации углового перемещения моделей. В основном они применяются на моделях вертолетов в тех случаях, когда необходимо повышать стабильность полета модели или создать стабильность искусственно. Самое большое применение (до 90%) в вертолетах привычной схемы гироскопы нашли для стабилизации по вертикальной оси путем управления шагом рулевого винта. Происходит это потому тем, что модель вертолета не обладает стабильностью собственной по вертикальной оси. Как правило, курс стабилизируется на турбореактивных моделях для обеспечения безопасной посадки и взлета, где большие скорости и взлетные дистанции, при узкой взлетно-посадочной полосе. Тангаж стабилизируется на моделях вертолетов с отрицательной, нулевой или слабой продольной устойчивостью, повышающую маневренные возможности моделей. Крен стабилизируют даже и на учебных моделях.
Что такое гироскоп?
Гироскоп - это устройство, способное реагировать на изменение углов ориентации тела, на котором оно установлено, относительно инерциальной системы отсчета.
Гироскопы представляют собой вращающиеся с высокой частотой твердые тела.
Простейший пример гироскопа - юла (волчок).
Гироскопический прибор - это техническое устройство, в котором в качестве основного элемента используется быстро вращающийся ротор, закрепленный таким образом, чтобы его ось вращения поворачивалась. Гироскопические приборы широко используются для решения навигационных задач либо в системах ручного и автоматического управления движением различных объектов.
Появление термина гироскоп.
Термин «гироскоп» впервые был использован Жаном Фуко, французским физиком, механиком и астрономом, в 1852 году в докладе во Французской Академии Наук. Доклад Жана Бернара Леона Фуко был посвящён способам экспериментального обнаружения вращения Земли в инерциальном пространстве.
История создания гироскопа.
До изобретения гироскопа люди использовали различные методы определения направления в пространстве. Вначале люди начали ориентироваться 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 измерениях относительно положения звёзд.
Первые прототипы современного гироскопа начали появляться в начале 19-го века.
Так, устройство, которое можно назвать гироскопом, изобрёл Иоганн Боненбергер, который в 1817 году опубликовал описание своего изобретения. А французский математик Пуассон, уже в 1813 году, упоминает Иоганна Боненбергера как изобретателя подобного устройства. Главной частью гироскопа Боненбергера был вращающийся массивный шар в кардановом подвесе.
В 1832 году американец Уолтер Р. Джонсон придумал гироскоп с вращающимся диском.
В 1852 году французский учёный Жан Фуко усовершенствовал подобное устройство, и дал ему название «гироскоп».
Именно Жан Фуко придумал название «гироскоп». Можно отметить, что Фуко, как и Боненбергер, использовал в гироскопе карданов подвес.
На фотографии гироскоп, изобретённый Жаном Фуко, изготовленный французским механиком Дюмолен-Фроментом, в 1852 году.
Главным свойством карданова подвеса является то, что если в него закрепить вращающееся тело, то оно будет сохранять направление оси вращения независимо от ориентации самого подвеса. Это свойство нашло применение в гироскопах и гироскопических приборах.
Начало использования гироскопов.
В первых гироскопах скорость вращения быстро снижалась из-за силы трения. Во второй половине 19-го века было предложено для разгона и поддержания скорости вращения гироскопа использовать электродвигатель.
Преимуществом гироскопа и гироскопических приборов перед другими более древними приборами, использовавшимися при измерениях, явилось то, что он правильно работает в сложных условиях. Например, плохая видимость, различные колебания, тряска, и электромагнитные воздействия.
Впервые на практике гироскопический прибор был применён в 1880-х годах австрийским инженером Л.Обри для стабилизации курса торпеды.
Следующее применение гироскопа в технике также относится к морскому делу. Гироскоп использовали при разработке морского указателя курса - гирокомпаса. Прототип современного гирокомпаса первым создал Герман Аншютц-Кэмпфе (запатентован в 1908), вскоре подобный прибор построил американский инженер Э. Сперри (запатентован в 1911).
В 20-м веке гироскопы стали широко использоваться на самолётах, вертолетах, ракетах, подводных лодках, вместо компаса или совместно с ним.
Гироскопы. Использование гироскопов.
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.
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 и т. п.), так и в системах ориентации и стабилизации различных аппаратов.
Развитие гироскопических приборов.
Постоянно растущие требования к точностным и эксплуатационным 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 США, ЕС, Японии, России выданы тысячи патентов и авторских свидетельств на соответствующие открытия и 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 сверхсекретная.
Сегодня созданы достаточно надежные и точные гироскопические системы, удовлетворяющие большой круг потребителей.
Современные гироскопические приборы работают и обеспечивают высокую точность необходимых измерений в любом месте - под землёй, под водой, в космосе.
Гироскоп. Что такое гироскоп? История гироскопа. Принцип работы гироскопа.