примеры гироскопа в жизни

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.

Волчок

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).

Гироскоп

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.

МЭМС датчик

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

Что такое гироскоп и как он работает?

История создания гироскопа началась в 1817 году, когда Иоанн Боненберг изобрел подвес, рамки в котором рамки вращались в горизонтальной, вертикальной или угловой плоскостях. Далее прибор совершенствовался, и в 1852 году известным ученым-физиком Ж.Фуко был продемонстрирован гироскоп, используемый для определения положения оси Земли. Сегодня гироскоп широко применяется в самых разных приборах для ориентации в пространстве. Особенности устройства и возможности дают возможность использовать его в известных нам устройствах.

Что такое гироскоп

Законы вращения твердых тел лежат в основе создания гироскопа. Прибор позволяет стабилизировать их положение при малейшем отклонении, задействовав обратный момент вращения. Само слово произошло от двух греческих: «гирос» – что значит круг, и «скопео» – означает смотрю, то есть смотрю на вращение или круг.

Сегодня данный термин и однокоренные слова можно услышать везде. Пример – гироскутер. А квадрокоптер для взлета требует наличия минимум трех подобных приспособлений. Смартфон, планшет и популярные смарт часы также оснащены данным устройством.

Как работает гироскоп

Аналогом гироскопа можно назвать известную всем юлу или волчок. В гироскопе вращающейся частью является ротор, который подобен волчку, имеющему утолщенные края. Закрепляется ротор в подвес, рамки в подвесе осуществляют движение в трех плоскостях, называются они подвес Фесселя или карданов подвес.

Специальные датчики, называемые грузиками, реагируют на изменение положения тела в пространстве. Устройство создает гироскопический эффект с помощью обратного момента вращения, придавая телу первоначальное устойчивое положение. А благодаря современной электронике для стабилизации подключаются специальные датчики разгрузки.

Благодаря продуманности прибора и его действительно широким возможностям по стабилизации положения без него не обходится подавляющее большинство современных устройств и аппаратов. Гироскопами снабжены:

Позволяя стабилизировать положение тела в пространстве и определить угол отклонения, гироскопы делают многие приборы более функциональными и удобными в использовании.

Гироскоп в телефонах

В телефонах нет волчка в привычном понимании слова. Смартфоны включают в себя микроэлектромеханическую систему, или МЭМС, в которой имеются микромеханические и микроэлектронные компоненты. И хотя устройство гироскопа в смартфоне существенно отличается от общепринятого и более понятного, целью его остается определение собственного угла наклона относительно земной поверхности.

Преобразование механической энергии в электрическую формирует последовательность битов, или бинарный код. Именно с помощью бинарного кода осуществляется функционирование всех компьютерных систем. В небольших по размеру устройствам типа смартфона волчок в буквальном смысле отсутствует, вместо него внутрь помещены специальные подвижные массы веществ. Смещение подвижных масс веществ провоцирует изменения электрической емкости конденсаторов, что регистрируется микропроцессором.

Конденсаторы могут быть заменены пьезокристаллами, которые широко применяются в датчиках определения положения типа акселерометров. С помощью преобразования давления и скорости в электрический сигнал: он специальным образом обрабатывается микропроцессором. Акселерометры и гироскопы устанавливаются в смартфонах, эти инерционные МЭМС-датчики имеют различающиеся принципы получения информации. Для многих современных смартфонов характерно наличие обоих видов устройств.

Наличие гироскопа в мобильном телефона фиксируется в технической документации. Он представляет собой компактный чип, который можно рассмотреть, лишь разобрав прибор.

Для чего нужен гироскоп в смартфоне

Назначение гироскопа с смартфоне переоценить сложно. Ведь благодаря ему наши телефоны могут:

Существенно расширяя возможности смартфона, гироскоп делает его удобнейшим и практичным гаджетом для многофункционального применения.

Гироскоп в смарт часах

Смарт часы, или фитнес-браслет, прочно вошли в нашу повседневную жизнь. Благодаря им во многом упрощаются повседневные дела, появляется дополнительная мотивация для активизации собственной жизни. Поднятие руки, на которую надеты «умные» часы, провоцирует срабатывание экрана – и именно благодаря гироскопу. А изменение положения кисти руки влечет за собой изменение положения картинки на экране смарт часов. Значит, даже во время вождения автомобиля можно безопасно читать текст с часов, который будет поворачиваться вместе с рукой.

В новых Apple Watch имеется даже особая функция распознавания критической ситуации, когда человек упал и лежит без движения: благодаря гироскопу срабатывает вызов в службу спасения!

Именно гироскоп «отвечает» за подсчет сожженных калорий при разнообразных занятиях спортом, считает шаги во время прогулки. Анализируя частоту переворотов во время сна, гироскоп в смарт часах может установить качество отдыха.

Гироскоп следует отнести к разряду устройств, которые делают многие наши дела более удобными, а также преподносить большой объем информации. Гаджеты становятся неотъемлемой частью нашего быта, наличие в них гироскопа облегчает процесс пользования.

Источник

Гироскоп: применение в технике

Данная статья является вводной теорией к уроку «Механический гироскоп. Авиагоризонт из Lego EV3» для кружка робототехники.

«Я увидел вращение Земли под микроскопом»

В 1852 году в Парижской академии наук французский физик, механик и астроном Леон Фуко (1819 — 1868) продемонстрировал прибор, позволяющий обнаружить вращение Земли. Гироскоп — так он назвал это устройство. «Гирос» — от греческого «вращение». «Скопео» — от греческого «вижу, наблюдаю». Гироскоп был придуман ранее другим изобретателем, но название этого прибора пошло именно от Фуко.

Французский физик Леон Фуко

Оригинальную конструкцию продемонстрированного в Парижской академии гироскопа со специальной шкалой Фуко изобрел сам. Постройку гироскопа ученый заказал у известного изобретателя Генриха Румкорфа (1803 — 1877), создателя катушки Румкорфа — устройства для получения электрических высоковольтных импульсов.

Гироскоп Фуко представлял из себя вращающийся ротор (волчок) подвешенный так, что его ось могла поворачиваться в любом направлении относительно некоторой центральной неподвижной точки. Такой гироскоп имел наружную и внутреннюю рамку, которые могли вращаться относительно друг друга, и ротор, который концами оси крепился на внутренней рамке.

Гироскоп в кардановом подвесе

Оси вращения двух рамок и ротора пересекаются в точке О — он же центр масс этих тел.

Как бы не поворачивалось основание гироскопа, ось ротора сохраняет неизменное положение. Почему это так, нужно знать физические законы. Самые любознательные могут посмотреть видео по ссылкам в конце документа. Это свойство гироскопа было использовано Фуко для доказательства вращения Земли.

Фуко установил гороскоп в подвале дома на тяжелом столе, чтобы никакая внешняя сила не повлияла на его вращение. Ученый раскручивал ротор до большой скорости с помощью специальной машины и возвращал на подставку.

Чтобы увидеть мельчайшее смещение оси вращения ротора относительно метки, Фуко производил наблюдения в микроскоп. И вскоре увидел смещение, которое повторялось из опыта к опыту.

— Я увидел вращение Земли под микроскопом, — сказал Фуко.

Кстати, Леону Фуко принадлежит другой опыт, доказывающий вращение нашей планеты. В 1851 году каждый парижанин мог «увидеть» вращение планеты во французском Пантеоне. В этом высоком храме Фуко построил огромный маятник с высотой подвеса в 67 метров и шаром массой 28 кг на конце. Позже в СССР в 1931 году маятник Фуко был установлен в Исаакиевском соборе, где демонстрировался до 1986 года. Прочитать о маятнике Фуко подробней можно по этой ссылке.

Применение гироскопа в технике

Игрушечный волчок — это простейший гироскоп, который вращается вокруг точки опоры. Гироскопические свойства проявляются во всех быстровращающихся устройствах — лопастях вертолета, турбине двигателя самолета.

Игрушечный волчок и вертолет

При повороте основания гироскопа ось вращения ротора сохраняет свое изначальное положение. И это свойство гироскопа нашло отражение в приборах, созданных для навигации самолетов, ракет, кораблей. Гироскоп может быть установлен даже в ваш смартфон, только он будет не механический, а электронный.

Приборы, использующие гироскоп, получили название гироскопических. Кроме карданова подвеса в механических гироскопах может использоваться аэродинамический подвес (ротор плавает на воздушной подушке) или электромагнитный подвес (ротор подвешивается в магнитом поле).

Гирокомпас. Из-за вращения Земли вокруг своей оси ось ротора гироскопа автоматически выравнивается относительно южного и северного полюса. Такой компас не подвержен влиянию намагниченных масс металла или электрической проводки, имеющихся на кораблях и самолетах.

Гиротахометр измеряет угловую скорость объекта, например, скорость и направление поворота самолета.

Авиагоризонт — гироскопический бортовой прибор самолета, который используется для определения углов тангажа (нос-хвост) и крена (левое-правое крыло) летательного аппарата. Это важнейшее устройство, с помощью которого опытный летчик может управлять самолетом с нулевой видимостью, не имея ориентиров в пространстве.

Гиростабилизатор на ракете, космическом корабле или спутнике дает понять электронной системе управления, в каком положении находится корабль относительно Земли или другого объекта. И с помощью такого гироскопа система управления может дать автоматический сигнал на запуск соответствующих корректирующих двигателей.

Гиродины (сontrol moment gyroscope) — это силовые гиростабилизаторы, которые устанавливаются на космические корабли или ракеты для их выравнивания в пространстве. Свойство крутящегося волчка оставаться в вертикальном положении можно использовать для отталкивания от него. Гиродины намного больше и тяжелее гироскопов, использующихся для навигации в пространстве. Их большая скорость вращения и большая масса дает большой момент инерции, который используется для изменения положения космического корабля. Космический корабль может оттолкнуться от такого гироскопа без использования двигателей ориентации. Так, четыре гиродина находится на МКС и позволяют поворачивать станцию без использования реактивных двигателей.

Замена гиродина на МКС (слева). Блок из четырех гиродинов МКС (справа)

Источник

Примеры гироскопа в жизни

Давно мне хотелось бинокль с оптической стабилизацией, которая нивелирует дрожание рук. А добыть какой-нибудь прибор с гироскопом — это вообще мечта с детства. Но, к сожалению, стабилизация встречается только в топовых японских биноклях, которые даже б/у начинаются от 300USD, а гироскоп (настоящий, не электронный) в наши дни не встречается вообще нигде.

Так я думал до последнего времени, но две недели назад случайно нашёл на одном из интернет-аукционов бинокль Peleng 1240GS — выпущенный небольшой серией в начале 90-х (?) бинокль, стабилизирующий картинку в окулярах с помощью гироскопа. И немедленно купил.

В интернете про Пеленг нет почти ничего, только пара старых объявлений о продаже. Я решил это исправить и написать обзор.

Бинокль пришёл тщательно упакованным и рабочим. В комплекте с ним пришла пара кабелей и здоровенный пластиковый бокс.

Бокс красивый, с влагозащитной резиновой прокладкой, поролоном внутри, и ключём, плотно и надёжно запирающим крышку.

Вот только он раза в полтора больше, чем надо, и бинокль в нём болтается.

Я бы даже подумал, что бокс не родной — но изнутри на нём шильдик со списком принадлежностей, да и на других фотографиях Пеленга в интернете боксы похожие.

Кстати, бинокль белорусский, но оба шильдика на латинице:з прочих надписей я нашёл серийный номер. Интересно, это №35, №10035 или что?

(В комментариях высказана логичная мысль, это 93 год, 01 месяц или квартал и 35 экземпляр [за текущий месяц?])

Ладно, обозревать коробку не интересно, перейдём к биноклю.

Бинокль производит смешанное впечатление надёжности и крайней кондовости. Оптика, судя по бликам, просветлённая. Почти все детали, даже пластиковые, видимо, фрезерованные, и на внутренних поверхностях видны следы фрез.

(Мне подсказывают, что, возможно, всё же не детали фрезерованные, а литьевые матрицы обработаны плохо. Ну, может быть, тогда бинокль оказывается чуть менее кандовый).

При этом контакты батарейного отсека подпружинены спиральными пружинами, а внутри самого бинокля пластмассовые шестерёнки регулятора межзрачкового расстояния соседствуют с надёжной прочной станиной.

Наибольший когнитивный диссонанс вызывает, пожалуй, провод питания. На самом бинокле установлен какой-то очень военный разъём, разве что не позолоченный:А с другой стороны кабеля разъём самодельный, разве что не напильником сделанный. А может и напильником:

В объективы вкручены крышечки. Именно вкручены, так что не выпадут — с другой стороны, верёвочки, чтобы не потерялись, нету.

Как ни странно, подать 9-12 вольт на вход кабеля для включения прибора не достаточно. При ближайшем рассмотрении оказалось, что кабель подаёт +9В на центральный пин батарейного блока, питание снимается с крайнего, и между ними нет никакой связи. Думаю, это сделано для защиты батареек от зарядки — и для использования внешнего питания предполагается установить какую-нибудь коробочку, замыкающую два пина.

К счастью, всё легко исправить, достаточно отвинтить шесть шурупчиков, снять пластинку, прикрывающую пины питания, и перепаять один МГТФ проводок. Фотография блока со снятой пластинкой у меня потерялась, так что для иллюстрации дам фото с пластинкой на месте.

После такого изменения появляется возможность запустить бинокль от лабораторного блока питания и измерить потребление тока.

Правда, запускать его так со вставленными батарейками не стоит — зато можно поставить аккумуляторы, подключить зарядное устройство и заряжать аккумуляторы прямо в бинокле.

Да, насчёт тока. Бинокль устроен просто: батарейный отсек, тумблер, светодиод и мотор гироскопа. Соответственно, никакой стабилизации тока или потребляемой мощности нет, и потребление системы зависит от состояния батареек.

Если верить инструкции, бинокль работает в диапазоне внешних напряжений 9-(12) вольт. Но батареек в батарейном отсеке всего шесть, так что я проверял работу от 6В (убитые батарейки), 7.5В (батарейки в нормальном состоянии) и 9В (абсолютно новые батарейки).

Потребление тока в рабочем режиме (после разгона гироскопа) составило 70, 90 и 100 мА соответственно. Стартовый ток в первую секунду составляет примерно 500 мА (при 7.5В). За одну-две секунды он падает где-то до двойного рабочего тока, а секунд через 15 — до 110% от рабочего. В общем, бинокль проработает сутки без перерыва от стандартных щелочных батарей, с перерывами не намного меньше.

Инструкция пугает, что бинокль весит «до 3.5 кг», но, на самом деле, не всё так плохо: это вес бинокля в боксе. Сам бинокль весит примерно 2.1кг с батарейками или 1.9кг — без них.

Снять кожух с бинокля просто: достаточно отвинтить четыре шурупа со стороны окуляров и два кольца с объективов.

Единственное что, нужно выкручивать именно шурупы, а не винты. У винтов головка больше, и при их вывинчивании вы не кожух снимете, а окулярный оптический блок — оно вам надо?

Шурупы, кстати, нестандартные, не удивлюсь, если их делали специально для бинокля.

Что касается объективов, то на их основании были остатки какой-то резины. Подозреваю, что исходно они были залиты герметиком, но его срезали ещё предыдущие хозяева.

И вот бинокль во всей красе: В центре виден гироскоп на подвесе с несколькими степенями свободы, и призмы, которые к этому гироскопу присоединены:

В спокойном состоянии гироскоп зафиксирован:

Помните ручку слева объективов, не работающую в выключенном состоянии? Вот она, как раз и освобождает гироскоп, чтобы он свободно качался в подвесе.

А вот механизм регулировки межзрачкового расстояния. Выглядит хлипко, особенно если учесть, что доставать бинокль из бокса очень хочется за окуляры.

Ну и, конечно, главный вопрос: насколько хорошо он работает?

Хорошо он работает. Я щёлкаю тумблером, гироскоп тихо разгоняется, потом, на какой-то скорости, жутко визжит две-три секунды, и разгоняется дальше, снова почти беззвучно. Вот он разогнался, я смотрю в окуляры и вижу чёткую, хоть и дрожащую, картинку. Нажимаю рычаг освобождения подвески, и картинка замирает. Я начинаю медленно вести бинокль в сторону, и картинка начинает плавно, как в кино, сдвигаться. Как вы понимаете, на фотографии этого не передать, поэтому вот видео. Снято оно с рук, потому что какой смысл в видео стабилизации, снятом со штатива. К сожалению, это сказалось на качестве, ведь поймать камерой телефона объектив лежащего в руках бинокля сложно.

Источник

Гироскопические эффекты в природе

Муниципальное образовательное учреждение

Гироскопические эффекты в природе.

, учитель физики школы № 4.

Цель работы: ознакомить читателя с понятием «гироскоп», его «физикой» и показать яркие примеры проявления гироскопического эффекта в живой и неживой природе.

Простейшим примером гироскопа является игрушечный волчок. Его поведение в высшей степени удивительно. Как объяснить, в самом деле, то, что вертящийся волчок, поставленный отвесно или даже наклонно, не опрокидывается? Какая сила удерживает его в таком, казалось бы, неустойчивом положении? Разве сила тяжести на него не действует? Если волчок не вертится, то заставить его удержаться на оси невозможно. Именно о волчках, а точнее о гироскопах пойдет речь в данной работе.

Итак, гироскоп (от греческого gyros – круг, gyreuo – кружусь, вращаюсь и skopeo – смотрю, наблюдаю) – быстро вращающееся симметричное твердое тело, ось вращения которого (ось симметрии) может изменять свое направление в пространстве. Гироскоп обладает рядом интересных свойств, наблюдаемых у вращающихся небесных тел, артиллерийских снарядов, детского волчка, роторов турбин, установленных на судах, и т. д. На свойствах гироскопа основаны разнообразные устройства и приборы, широко применяющиеся в современной технике. Но применение гироскопов в технике достаточно широко освещены практически во всех курсах общей физики. В данной же работе сделана попытка рассмотреть проявление этого эффекта в природе.

Когда волчок вращается строго вертикально, сила тяжести, приложенная к противоположным точкам и , одинакова по величине и имеет равные плечи относительно оси вращения волчка, проходящей через точку опоры . Поэтому она создает для каждой пары точек вращающегося волчка одинаковые опрокидывающие усилия – моменты силы относительно точки опоры. В результате волчок продолжает вращаться вертикально и устойчиво из-за сохранения момента импульса.

Иное дело, когда волчок закручен так, что его ось наклонена. Силы тяжести, приложенные к точкам и , по-прежнему равны по величине, но их плечи относительно вертикальной линии, проходящей через точку опоры , теперь разные!

Результирующий момент этих сил пытается опрокинуть волчок. И ему это почти удается: к импульсу и , обусловленному их вращением, добавляется небольшой по сравнению с ним импульс, направленный вниз. Результирующий импульс заставляет ось волчка вращаться в ту же сторону, что и сам волчок. Такое движение оси волчка под действием внешней силы называется прецессией. Под действием силы тяжести ось будет отклоняться не в сторону этой силы, т. е. не вниз, а в перпендикулярном к ней направлении и прецессировать вокруг вертикали.

Но прецессия – не единственное возможное движение волчка. Она наблюдается в чистом виде, только если волчок запущен очень аккуратно, без толчков. В противном случае ось волчка описывает еще циклоиду (кривую, которую описывает точка колеса автомобиля при его движении без проскальзывания). Такое, похожее на колебание, движение волчка именуется нутацией. Обычно оно очень быстрое и незаметное для глаз движение, к тому же оно быстро затухает за счет неизбежного трения в точке крепления оси.

Свободный гироскоп

Так же ведет себя и гироскоп. Обычно ось вращения выбирают так, чтобы момент инерции относительно этой оси был максимальным. Тогда вращение наиболее устойчиво.

Для создания свободного гироскопа в технике используют карданов подвес. Он представляет собой две кольцевые обоймы, которые входят одна в другую и могут вращаться относительно друг друга. Точка пересечения всех трех осей совпадет с положением центра масс гироскопа . В таком подвесе гироскоп может свободно вращаться вокруг любой из трех взаимно перпендикулярных осей, при этом центр масс относительно подвеса будет покоиться.

Гироскоп в кардановом подвесе

Если гироскоп привести в быстрое вращение относительно оси и после этого пытаться повернуть подвес, то ось гироскопа стремится сохранить свое положение неизменным. Причина такой устойчивости вращения связана с законом сохранения момента импульса. Так как момент внешних сил мал, то он не в состоянии заметно изменить момент импульса гироскопа. Ось вращения гироскопа, с направлением которой вектор момента импульса почти совпадает, не отклоняется далеко от своего положения, а лишь дрожит, оставаясь на месте.

Это свойство гироскопа находит широкое практическое применение. Летчику, например, необходимо всегда знать истинное положение земной вертикали по отношению к положению самолета в данный момент. Обыкновенный отвес для этой цели не годится: при ускоренном движении он откланяется от вертикали. Применяют быстро вращающиеся гироскопы в кардановом подвесе. Если ось вращения гироскопа установить так, чтобы она совпадала с земной вертикалью, то, как бы самолет не изменял свое положение в пространстве, ось сохранит направление вертикали. Такое устройство носит название гирогоризонта.

Если гироскоп находится во вращающейся системе, то его ось устанавливается параллельно оси вращения системы. В земных условиях это проявляется в том, что ось гироскопа, в конце концов, устанавливается параллельно оси вращения Земли, указывает направление север-юг. В морской навигации такой гироскопический компас является совершенно незаменимым прибором.

Подобное, на первый взгляд странное поведение гирокомпаса тоже находится в полном согласии с законом сохранения момента импульса.

Направление вектора L/ и будет определять новое направление оси гироскопа. Таким образом, гироскоп будет поворачиваться вокруг прямой так, чтобы угол между направлениями векторов L и N уменьшался. Ось гироскопа при этом стремится совместиться с осью вынужденного вращения . Для гирокомпаса осью вынужденного вращения является ось вращения Земли.

Теоретически, гироскоп, освобожденный от сил трения, будет указывать всегда одно и то же направление в пространстве независимо от вращения и движения Земли. Но так как никогда невозможно освободится от сил трения, то это обстоятельство практически делает невозможным осуществление указателя направления в виде свободного гироскопа. Наличие моментов хоть и очень малых сил трения с течением времени всегда уведет направление оси гироскопа от заданного.

Если закрепить одно из колец «карданова подвеса», то соответствующая вращательная степень свободы исчезнет. Мы получим гироскоп с двумя степенями свободы. Его свойства совершенно другие. При вращении гироскопа относительно одной из осей он не будет «сопротивляться», т. е. будет вести себя как обычный диск, одна из осей которого закреплена в подшипниках кольца.

гироскоп с двумя степенями свободы

Пусть на ось гироскопа действует сила F, направленная против оси . Момент этой силы направлен вдоль оси . Данный момент стремится повернуть гироскоп относительно оси , чему препятствуют силы реакции Fр (пара сил), возникающие в подшипниках, в которых закреплена ось гироскопа. Силы Fр называются гироскопическими силами. Их появление обусловлено тем, что наружное кольцо жестко закреплено и не может вращаться относительно вертикальной оси. Гироскопические силы создадут гироскопический момент Nр, сонаправленный вектору F. В этом направлении и будет происходить изменение момента импульса. Несвободный гироскоп, таким образом, является «послушным».

Закрепим вертикальную ось гироскопа и поставим его на вращающийся диск, прикрепим прочно подставку гироскопа к диску. При вращении диска с гироскопом можно убедиться в том, что ось гироскопа стремится повернуться так, чтобы направления вращения диска и гироскопа совпадали. При вращении диска гироскопу через подставку и вертикальную ось передается момент сил N, направление которого параллельно оси вращения диска. Этот момент может вызывать только вращение вокруг горизонтальной оси до тех пор, пока ось вращения гироскопа не совпадает по направлению с моментом N, с направлением оси вращения диска, или стержень гироскопа дойдет до упора.

Теперь закрепим опору гироскопа на большом диске наклонно, и закрепим «горизонтальную» ось так, что гироскоп сможет вращаться только относительно своей оси и «вертикальной» оси. При таком устройстве на гироскоп будет действовать момент сил N, который всегда лежит в вертикальной плоскости, проходящей через ось вращения диска. Действительно, разложим угловую скорость ω опоры на две, ωв и ωг; вращение опоры с ωв не скажется, ибо вертикальная ось свободна, вращение ωг вызовет момент , совпадающий по направлению с ωг, а ωг лежит обязательно в указанной выше плоскости.

Эти опыты дают указание на возможность устройства гироскопического компаса. В 1852 году французский ученый Фуко предложил устройство гироскопического компаса, указывающего меридиан или широту. Сам Фуко не изготовил практически действующего прибора. В своих опытах он только доказывал вращение Земли и направление его. Для определения направления меридиана Фуко предложил воспользоваться несвободным гироскопом на основании опытов с гироскопом на вращающейся подставке.

На этих принципах так и не удалось создать технически применимого устройства гироскопического компаса. Наличие сил трения при всех практически возможных устройствах делает такие приборы недостаточно точными. Современные гироскопические компасы осуществлены на принципе гироскопа, совершающего прецессию с угловой скоростью, равной скорости вращения Земли.

В настоящее время ось вращения Земли наклонена к плоскости орбиты (эклиптике) под углом 66,3 градуса, благодаря чему происходит смена времен года. Притяжение Солнца приводит к тому, что ось перемещается по круговому конусу. Это перемещение называется прецессией. В настоящее время Северный полюс направлен на Полярную звезду. За следующие 12 000 лет земная ось в результате прецессии пройдет примерно полпути и будет направлена на звезду Вега. Полный цикл прецессии составляет около 25 800 лет.

Как возникает прецессия Земли?

Данный вопрос можно было бы и не раскрывать, ограничившись данностью. Но он интересен, поскольку в некоторой степени затрагивает теорию гравитации.

Земля представляет из себя почти сферический гироскоп. Прецессия у гироскопа возникает тогда, когда к оси приложен момент, стремящийся наклонить эту ось. Но Солнце тянет Землю к себе целиком, что никак не создает момент на ось. Тогда как?

Здесь мы невольно должны обратиться к торсионным (крутящим) полям. Таковое имеется и у звезды, и у планеты, поскольку они вращаются вокруг собственных осей. Любое, сколько-нибудь значительное тело, став на орбиту вокруг намного более массивного тела, начнет вращаться вокруг своей оси. В идеальных условиях это вращение будет направлено в ту же сторону, что и полет по орбите (как шарик в подшипнике). Да еще и ось расположиться перпендикулярно к плоскости орбиты. Если же тело стало на орбиту, уже имея собственное вращение, то звезда попытается выправить его ось. Вот здесь и появится момент, вызывающий прецессию.

Земля своим торсионным полем цепляется за торсионное поле Солнца.

Механизм сдвига литосферы

Откуда берется цикл 41000 лет?

У Земли есть еще один прецессионный цикл – 16000 лет. Только если сложить две прецессии (26000 и 16000 лет) можно получить действительную траекторию Земной оси по циклу 41000 лет.

Возникает резонный вопрос: А откуда берется этот загадочный цикл? Чтобы понять его «физику», придется вернуться к гироскопам. Именно к гироскопам, а не гироскопу. Литосфера и мантия Земли есть сферический гироскоп, внутри которого спрятан еще один, состоящий из внутреннего ядра. Этот гироскоп тоже имеет прецессию – как раз с периодом 16000 лет. Вращается он чуть медленнее, ось совпадает с осью планеты.

Почему гироскопы на одной оси? Здесь работает правило низшего гироскопа, согласно которого он стремиться расположить свою ось в параллель высшему. Наружный гироскоп имеет большую распределенную массу, потому он высший.

Почему внутренний гироскоп имеет меньшие обороты? Если поместить ядро, отдельно от оболочки, на орбиту Земли, то оно тут же захочет улететь на более высокую орбиту из-за меньшей массы при равных скоростях. Есть два способа удержать ядро на орбите – затормозить или уменьшить обороты (что тоже приведет к торможению). Просто затормозить в нашем случае нельзя – скорость на орбите общая для ядра и мантии с литосферой. Остается только замедлять осевое вращение. Но сильно его замедлить нельзя из-за наличия внешнего ядра, которое частично передает внутреннему ядру вращательный момент от мантии. Итог – дрейф магнитного поля около 26 км. в год вокруг географической оси.

В какой-то степени наружный гироскоп «соглашается» отклонить общую ось планеты – в результате мы имеем «неправильную», т. е. не круглую, траекторию по циклу 41000 лет. Но отклонение это очень небольшое. Внутренний гироскоп, со своей стороны, «соглашается» на это малое. Только куда девать лишнюю энергию? Она ведь не может расходоваться на уход с общей оси. А ее много. Вполне достаточно, чтобы разложить планету на мелкие осколки. Эту энергию ядро расходует на создание магнитного поля планеты!

Гироскопы в живой природе

Муха с изображением одного из жужжальцев

Муха обычно способна проделывать такие высокоскоростные авиационные маневры, которые уже давно поражают умы авиаконструкторов и инженеров. Если мужская особь мухи меняет свой курс всего за 30 миллисекунд!

Эволюционисты полагают, что сегодняшние мухи произошли от четырёхкрылых предков, из которых два расположенных сзади крыла стали «рудиментарными» или уменьшились вследствие своей функции полета, чтобы стать жужжальцами.

Конечно же, нет никакой научной причины отрицать, что жужжальца сами по себе являются хорошо разработанными и эффективными органами. Они давно известны как выполняющие функцию стабилизаторов полета, подобно гироскопам на самолетах, которые предотвращают чрезмерный переворот через крыло, наклон самолета относительно поперечной оси или отклонение от курса. Частично это происходит вследствие того, что жужжальца в основном делают взмахи в противоположной фазе по отношению к фактическим крыльям. Но так как такая функция стабилизации должна была бы заставлять муху продолжать лететь прямо, то как же тогда мухе удаётся «отключать» эту гироскопическую функцию, чтобы так быстро изменить свой курс?

Исследователю Доктору Майклу Дикинсону из Университета Калифорнии в Беркли, и его многим коллегам уже давно известно, что мухи исполняют свои сложные фигуры полета в ответ на визуальные раздражители. Сложные эксперименты, в которых мухи были привязаны в небольших корсетах, показали, что изображения, воспринятые зрительно-мозговой системой мухи, вызывают автоматические изменения в активности крыла.

Также, Доктор Коул Гилберт из Университета Корнел показал, что соответствующее положение головы мухи относительно ее тела также посылает информацию крыльям и жужжальцам. Все это указывает на нейронную сеть, расположенную как снаружи, так и в мозге насекомого, которая способна к чрезвычайно сложным и изощрённым последовательным действиям, которые просто затмевают наши существующие технологии. Доктор Дикинсон говорит: «С технической точки зрения, это более разумно и более эффективно. Таким образом, вы никогда не выключаете ваш стабилизатор – он настроен так, что нервная система управляет его механикой каждое мгновение».

В данной работе сделан обзор литературы [1 – 6] по гироскопам и их применению, а также наблюдению гироскопических эффектов в природе. Мною был поставлен ряд экспериментов по наблюдению гироскопических эффектов, которые можно показывать в школах.

Итак, прочитав этот доклад, вы, конечно, не узнали все о гироскопах, но я все-таки надеюсь, что его изначальная цель была выполнена. И если это так, то мой труд не был напрасен. И, быть может, эта информация не была полезна вам сейчас, но может когда-нибудь пригодится, ведь «знание – сила».

2. Энциклопедия для детей. М.: Аванта, 2000.

Источник