Как работают гироскопы

Гироскопы могут быть очень сложными объектами, потому что они движутся необычным образом и даже, кажется, бросают вызов гравитации. Эти особые свойства делают гироскопы чрезвычайно важными во всем, от вашего велосипеда до усовершенствованной навигационной системы на космическом шаттле. Типичный самолет использует около дюжины гироскопов во всем, от компаса до автопилота. Российская космическая станция "Мир" использовала 11 гироскопов для сохранения ориентации на солнце, а на космическом телескопе "Хаббл" также есть набор навигационных гироскопов. Гироскопические эффекты также играют центральную роль в таких вещах, как в телефонах так и в игрушках йо-йо и фрисби!

Прецессия

Нажмите здесь, чтобы загрузить 30-секундное полнометражное видео, демонстрирующее прецессию в действии. (1.7 МБ)
Нажмите здесьЕсли вы когда-либо играли с игрушечными гироскопами, вы знаете, что они могут выполнять всевозможные интересные трюки. Они могут балансировать на струне или пальце; они могут сопротивляться движению вокруг оси вращения очень странным образом; но самый интересный эффект называется прецессией. Это часть гироскопа, не поддающаяся гравитации. В следующем видео показаны эффекты прецессии при использовании велосипедного колеса в качестве гироскопа:(1.7 МБ)

Если вы когда-либо играли с игрушечными гироскопами, вы знаете, что они могут выполнять всевозможные интересные трюки. Они могут балансировать на струне или пальце; они могут сопротивляться движению вокруг оси вращения очень странным образом; но самый интересный эффект называется прецессией. Это часть гироскопа, не поддающаяся гравитации. В следующем видео показаны эффекты прецессии при использовании велосипедного колеса в качестве гироскопа:

Самая удивительная часть видео, а также то, что невероятно в гироскопах, - это та часть, где гироскопическое велосипедное колесо способно вот так зависать в воздухе:

Способность гироскопа "бросать вызов гравитации" сбивает с толку!

Как это можно сделать?

Этот таинственный эффект - прецессия. В общем случае прецессия работает следующим образом: если у вас есть вращающийся гироскоп, и вы пытаетесь повернуть его ось вращения, гироскоп вместо этого попытается вращаться вокруг оси под прямым углом к вашей силовой оси, вот так:

Гироскоп вращается вокруг своей оси. Приложено усилие, чтобы попытаться повернуть ось вращения. Гироскоп реагирует на входное усилие вдоль оси, перпендикулярной входному усилию.

Итак, почему происходит прецессия?

Причина прецессии

При приложении усилий к оси две указанные точки будут пытаться двигаться в указанных направлениях.

Почему гироскоп должен показывать такое поведение? Кажется совершенно бессмысленным, что ось велосипедного колеса может так висеть в воздухе. Однако, если вы подумаете о том, что на самом деле происходит с различными секциями гироскопа при его вращении, вы увидите, что такое поведение совершенно нормально!

Давайте посмотрим на две небольшие части вращающегося гироскопа - верхнюю и нижнюю, вот так:

Когда к оси прикладывается усилие, секция в верхней части гироскопа попытается переместиться влево, а секция в нижней части гироскопа попытается переместиться вправо, как показано на рисунке. Если гироскоп не вращается, колесо переворачивается, как показано на видео на предыдущей странице. Если гироскоп вращается, подумайте о том, что происходит с этими двумя частями гироскопа: первый закон движения Ньютона гласит, что движущееся тело продолжает двигаться с постоянной скоростью по прямой, если на него не воздействует несбалансированная сила. Таким образом, на верхнюю точку гироскопа воздействует сила, приложенная к оси, и она начинает двигаться влево. Он продолжает пытаться двигаться влево из-за первого закона движения
Ньютона, но вращение гироскопа вращает его, вот так:

Когда две точки вращаются, они продолжают свое движение.

Этот эффект является причиной прецессии. Различные секции гироскопа получают силы в одной точке, но затем поворачиваются в новые положения! Когда секция в верхней части гироскопа поворачивается на 90 градусов в сторону, она продолжает двигаться влево. То же самое относится и к секции внизу - она поворачивается на 90 градусов в сторону и продолжает двигаться вправо. Эти силы вращают колесо в направлении прецессии. Поскольку идентифицированные точки продолжают поворачиваться еще на 90 градусов, их первоначальные движения отменяются. Итак, ось гироскопа висит в воздухе и прецессирует.
Когда вы смотрите на это таким образом, вы можете увидеть, что прецессия вовсе не таинственная - она полностью соответствует законам физики!

Использование гироскопов

Эффект всего этого заключается в том, что, когда вы вращаете гироскоп, его ось хочет продолжать указывать в том же направлении. Если вы установите гироскоп в набор карданов так, чтобы он мог продолжать указывать в том же направлении, он будет. Это основа гирокомпаса.

Если вы установите два гироскопа так, чтобы их оси находились под прямым углом друг к другу на платформе, и поместите платформу внутри набора карданов, платформа останется полностью жесткой, поскольку карданы вращаются так, как им заблагорассудится. Это основа инерциальных навигационных систем (INS).

В INS датчики на осях карданов определяют, когда платформа вращается. INS использует эти сигналы для определения поворотов транспортного средства относительно платформы. Если вы добавите к платформе набор из трех чувствительных акселерометров, вы сможете точно определить, куда движется транспортное средство и как меняется его движение во всех трех направлениях. С помощью этой информации автопилот самолета может удерживать самолет на курсе, а система наведения ракеты может вывести ракету на желаемую орбиту!

Для чего используется гироскоп?

Гироскопы встроены в компасы на кораблях и самолетах, в рулевой механизм торпед, в системы наведения, установленные в баллистических ракетах и орбитальных спутниках, и в другие места.

Почему гироскопы бросают вызов гравитации?

Может показаться, что они бросают вызов гравитации, но это не так. Этот эффект обусловлен сохранением углового момента.

Что такое гироскопический эффект?

Этот эффект относится к тому, как вращающийся объект хочет поддерживать ось своего вращения.