За счет чего работает гироскоп

Все стабильно или Как работает гироскоп?

Александра Иваницкая

Вы видели сложные конструкции, которыми пользуются фотографы и видеооператоры во время съемок — большие рамки, в которых подвешенные камеры всегда снимают идеально ровно. Это устройство называется стабилизатором и в основе у него — гироскоп. Механизм, который изобрели в начале XIX века и который сделал возможным не только съемку качественного видео на свадьбе, но и полеты в космос. Рассказываем, как работает этот механизм.

Что такое гироскоп?

Гироскоп — это устройство, способное реагировать на изменение углом объекта, на котором он установлен. То есть при наклоне или вращении он остается неподвижным, не наклоняется, не падает и не трясется.

Гироскоп был создан в 1817 году Иоганном Боненбергером, а в 1852 Жан Фуко усовершенствовал устройство и окрестил его гироскопом. Оба ученых использовали устройство для того, чтобы наглядно демонстрировать законы вращения земли вокруг своей оси. В дальнейшем Фуко изобрел известный маятник, показывающий движение нашей планеты.

Гироскопы бывают механическими, лазерными и оптическими.

Гироскоп состоит из свободной оси и ротора, двух рам и стабильного корпуса. Ротор вращается вокруг оси, а ось в то же время может поворачиваться в любую сторону. Оси всех частей гироскопа пересекаются в центре подвеса, который совпадает с центром масс этих тел. Благодаря этому гироскоп может сохранять свое положение относительно оси вращения. То есть ротор будет продолжать вращаться в одной плоскости, в то время, как основание конструкции будет менять положение относительно предмета, на котором гироскоп установлен.

Применение гироскопа

Свойства гироскопа пригодились не только астрономам. Одними из первых это устройство начали использовать в 1860-х в навигации, когда гироскоп объединили с компасом. Получившийся гирокомпас облегчал жизнь морякам на судне, когда нужно было пройти через шторм. В XX веке гироскоп использовали в черных ящиках — навигационных устройствах на борту самолетов, а впоследствии их использовали в космических кораблях.

Также гироскоп (а затем его более усовершенствованная версия — акселерометр) используется в смартфонах и умных часах. Именно это устройство помогает смартфону или часам понять, что вы — например — упали, и послать сигнал помощи.

Источник

Гироскопы

Гироскоп – вращающееся колесо или диск, где ось свободна для любой ориентации.

Задача обучения

Основные пункты

Термины

Гироскоп – устройство для измерения или поддержания ориентации, основывающееся на принципах углового момента. Это вращающееся колесо или диск, чья ось выступает свободной для любой ориентации. Она практически фиксирована, потому что установка в универсальном шарнире сводит внешний вращательный момент к минимуму.

Как это работает?

Давайте рассмотрим принцип работы гироскопа. Вращательный момент: измеряет угловой момент по формуле τ = ΔL/Δt.

Мы видим, что направление ΔL сходится с направленностью создающего его вращательного момента. Направление можно вывести, воспользовавшись правилом правой руки: пальцы ладони зажимаются в сторону вращения или силы, а большой палец показывает на угловой момент или скорость.

В (а) вращательный момент расположен перпендикулярно плоскости, созданной r и F (сюда указывает ваш большой палец, если вы скручиваете пальцы в направлении F). На (b) видно, что направление вращательного и углового моментов совпадает

Вращающееся колесо: изучите велосипедное колесо и спицы. При вращении угловой момент направлен к левой стороне девушки (на рисунке). Допустим, что мы повторяем движение. Она ожидает, что колесо будет вращаться в ту же сторону, на которую она влияет силой. Но все совсем наоборот. Силы создают вращательный момент, выступающий горизонтальным по отношению к человеку, и именно он формирует изменения в угловом моменте, перпендикулярном изначальному. Выходит, направление L изменилось, а величина нет.

Теперь направление углового момента больше склоняется к человеку, чем раньше. Так что ось колеса смещается перпендикулярно приложенной силе, а не в ожидаемом направлении.

На рисунке (a) девушка поднимает колесо правой рукой и толкает левой. Это создает вращательный момент прямо к ней. Он приводит к изменению углового момента ΔL в том же направлении. На (b) видна векторная диаграмма, изображающая добавление ΔL и L, создающих новый момент движения, указывающий больше на девушку. Колесо движется к ней, и выступает перпендикулярным силам, которые она применила

Гироскоп: точно также можно объяснить поведение гироскопа. В момент вращения на нем активируются две силы. Вращательный момент выступает перпендикулярным угловому, поэтому второй меняет направление, но не величину. Устройство прецессирует (прецессия гироскопа) вокруг вертикальной оси, потому что вращательный момент всегда горизонтален и перпендикулярен L. Если на гироскопе не наблюдается вращения, то он получает угловой момент в направлении вращательного (L = ΔL) и начинает совершать обороты вокруг горизонтальной оси.

В (а) вы видите, что силами на вращающемся гироскопе выступают его вес и опорная сила от стойки. Они создают горизонтальный вращательный момент, который вносит изменения в угловой (ΔL). На (b) ΔL и L добавляют для формирования нового момента импульса с одной величиной, но в ином направлении. Поэтому гироскоп прецессирует в указанном направлении, избавляясь от падения

Применение

Гироскопы выступают в качестве датчиков вращения. Поэтому их используют в инерциальных системах навигации, где не срабатывают магнитные компасы (как в космическом телескопе Хаббл) или не отвечают точности. Также они необходимы для стабилизации летательных аппаратов, вроде радиоуправляемых вертолетов или беспилотных.

Источник

Как устроен гироскоп: суть, принцип работы, где применяется

Однажды я наблюдал разговор двух друзей, точнее подруг:

А: О, знаешь, у меня новый смартфон, в нем есть даже встроенный гироскоп

Б: Аа, да, я тоже скачала себе, поставила гироскоп на месяц

А: Эмм, ты точно уверена, что это гироскоп?

Б: Да, гироскоп для всех знаков зодиака.

Чтобы таких диалогов в мире стало чуть меньше, предлагаем узнать, что такое гироскоп и как он работает.

Гироскоп: история, определение

Гироскоп – прибор, имеющий свободную ось вращения и способный реагировать на изменение углов ориентации тела, на котором он установлен. При вращении гироскоп сохраняет свое положение неизменным.

Само слово происходит от греческих gyreuо – вращаться и skopeo – смотреть, наблюдать. Впервые термин гироскоп был введен Жаном Фуко в 1852 году, но изобрели прибор раньше. Это сделал немецкий астроном Иоганн Боненбергер в 1817 году.

Гироскопы представляют собой вращающиеся с высокой частотой твердые тела. Ось вращения гироскопа может изменять свое направление в пространстве. Свойствами гироскопа обладают вращающиеся артиллерийские снаряды, винты самолетов, роторы турбин.

Простейший пример гироскопа – волчок или хорошо всем известная детская игрушка юла. Тело, вращающееся вокруг определенной оси, которая сохраняет положение в пространстве, если на гироскоп не действуют какие-то внешние силы и моменты этих сил. При этом гироскоп обладает устойчивостью и способен противостоять воздействию внешней силы, что во многом определяется его скоростью вращения.

Например, если мы быстро раскрутим юлу, а потом толкнем ее, она не упадет, а продолжит вращение. А когда скорость волчка упадет до определенного значения, начнется прецессия – явление, когда ось вращения описывает конус, а момент импульса волчка меняет направление в пространстве.

Виды гироскопов

Существует множество видов гироскопов: двух и трехстепенные (разделение по степеням свободы или возможным осям вращения), механические, лазерные и оптические гироскопы (разделение по принципу действия).

Применение гироскопов

Благодаря своим свойствам гироскопы находят очень широкое применение. Они используются в системах стабилизации космических аппаратов, в системах навигации кораблей и самолетов, в мобильных устройствах и игровых приставках, а также в качестве тренажеров.

Интересует, как такой прибор может поместиться в современный мобильный телефон и зачем он там нужен? Дело в том, что гироскоп помогает определить положение устройства в пространстве и узнать угол отклонения. Конечно, в телефоне нет непосредственно вращающегося волчка, гироскоп представляет собой микроэлектромеханическую систему (МЭМС), содержащую микроэлектронные и микромеханические компоненты.

Как это работает на практике? Представим, что вы играете в любимую игру. Например, гонки. Чтобы повернуть руль виртуального автомобиля не нужно нажимать никаких кнопок, достаточно лишь изменить положение своего гаджета в руках.

Как видим, гироскопы – удивительные приборы, обладающие полезными свойствами. Если вам понадобится решить задачу на расчет движения гироскопа в поле внешних сил, обращайтесь к специалистам студенческого сервиса, которые помогут вам справится с ней быстро и качественно!

Источник

Гироскоп

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

Термин впервые введен Жаном (Бернаром Леоном) Фуко в его докладе в 1852 году Французской Академии Наук. Доклад был посвящён способам экспериментального обнаружения вращения Земли в инерциальном пространстве. Этим и обусловлено название «гироскоп».

Содержание

История

До изобретения гироскопа человечество использовало различные методы определения направления в пространстве. Издревле люди ориентировались визуально по удалённым предметам, в частности, по Солнцу. Уже в древности 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.

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:

Основные два типа гироскопов по принципу действия:

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 трехстепенного роторного гироскопа

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

Это свойство обусловлено 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 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. Прецессия вызовет кориолисову силу, момент которой скомпенсирует момент внешней силы (гироскопический момент).

Гироскопический эффект вращающихся тел есть проявление коренного свойства материи — её инерционности.

Упрощённо, поведение гироскопа описывается уравнением:

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

Отсюда следует, что момент силы , приложенный перпендикулярно оси вращения гироскопа, то есть перпендикулярный , приводит к движению, перпендикулярному как , так и , то есть к явлению прецессии. Угловая скорость прецессии гироскопа определяется его моментом импульса и моментом приложенной силы [9] :

то есть обратно пропорциональна скорости вращения гироскопа.

Вибрационные гироскопы

Вибрационные гироскопы — устройства, сохраняющие плоскость своих колебаний при повороте основания. Этот тип гироскопов является намного более простым и дешёвым при сопоставимой точности по сравнению с роторным гироскопом. 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.
Например, вибрационные гироскопы применяются в системе измерения наклона электрического самоката Сигвей. Система состоит из пяти вибрационных гироскопов, чьи данные обрабатываются двумя микропроцессорами.
Именно такой тип гироскопов используется в мобильных устройствах, в частности, в iPhone 4 и других.

Принцип работы

Два подвешенных грузика вибрируют на плоскости в MEMS гироскопе с частотой .

При повороте гироскопа возникает Кориолисово ускорение равное , где — скорость и — угловая частота поворота гироскопа. Горизонтальная скорость колеблющегося грузика получается как : , а положение грузика в плоскости — . Внеплоскостное движение , вызываемое поворотом гироскопа равно:

где: — масса колеблющегося грузика. — коэффициент жёсткости пружины в направлении, перпендикулярном плоскости. — величина поворота в плоскости перпендикулярно движению колеблющегося грузика.

Разновидности

Оптические гироскопы

где -разность времён прихода лучей, выпущенных в разных направлениях, — площадь контура, — угловая скорость вращения гироскопа. Так как величина очень мала, то её прямое измерение с помощью пассивных интерферометров возможно только в волоконно-оптических гироскопах с длинной волокна 500—1000 м. Во вращающемся кольцевом интерферометре лазерного гироскопа можно измерить фазовый сдвиг встречных волн, равный [12] :

где — длина волны.

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, 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 гиромоторы.

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

Системы стабилизации

Системы стабилизации бывают трех основных типов.

Для стабилизации вокруг каждой оси нужен один гироскоп. Стабилизация осуществляется гироскопом и двигателем разгрузки, в начале действует гироскопический момент, а потом подключается двигатель разгрузки.

Для стабилизации вокруг каждой оси нужен один гироскоп. Стабилизация осуществляется только двигателями разгрузки, но в начале появляется небольшой гироскопический момент, которым можно пренебречь.

Для стабилизации вокруг двух осей нужен один гироскоп. Стабилизация осуществляется только двигателями разгрузки.

Новые типы гироскопов

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 России и США 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 секретная.

Перспективным является направление развития квантовых гироскопов.

Перспективы развития гироскопического приборостроения

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.

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 самолета 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 самолета 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 гироскопа в смартфонах и игровых приставках

Значительное удешевление производства МЭМС-гироскопов привело к тому, что они начинают использоваться в смартфонах и игровых приставках.

Также гироскоп стал применяться в управляющих игровых контроллерах, таких как: Sixaxis для Sony PlayStation 3 и Wii MotionPlus для Nintendo Wii. В обоих перечисленных контроллерах использованы два дополняющих друг друга, пространственных сенсора: акселерометр и гироскоп. Впервые игровой контроллер, умеющий определять своё положение в пространстве, был выпущен компанией Nintendo — Wii Remote для игровой приставки Wii, но в нём используется только трёхмерный акселерометр. Трёхмерный акселерометр не способен давать точное измерение параметров вращения при высокодинамичных движениях. И именно поэтому в новейших игровых контроллерах: Sixaxis и Wii MotionPlus, кроме акселерометра, был использован дополнительный пространственный сенсор — гироскоп.

Игрушки на основе гироскопа

Самыми простыми примерами игрушек, сделанных на основе гироскопа, являются йо-йо, волчок (юла) и модели вертолетов.
Волчки отличаются от гироскопов тем, что не имеют ни одной неподвижной точки.
Кроме того, существует спортивный гироскопический тренажёр.

Источник