A giroszkóp ( más görög γῦρος „kör” + σκοπέω „nézek”) olyan eszköz, amely képes reagálni annak a testnek a tájolási szögeinek változásaira, amelyre fel van szerelve az inerciális vonatkoztatási rendszerhez képest . A giroszkóp legegyszerűbb példája a forgólap .
A kifejezést először J. Foucault vezette be 1852 -ben a Francia Tudományos Akadémián írt jelentésében . A jelentést a Föld tehetetlenségi térben való forgásának kísérleti kimutatására szolgáló módszereknek szentelték . Ez az oka a „giroszkóp” elnevezésnek.
A giroszkóp feltalálása előtt az emberiség különféle módszereket alkalmazott az űrbeli irány meghatározására. Ősidők óta az embereket vizuálisan irányítják távoli tárgyak, különösen a Nap. Már az ókorban megjelentek az első gravitációs alapú eszközök: a vízszintes és a vízszintes . A középkorban Kínában találták fel az iránytűt a Föld mágnesességének felhasználásával. Az ókori Görögországban létrehozták az asztrolábiumot és más, a csillagok helyzetén alapuló műszereket.
A giroszkópot John Bonenberger találta fel, és 1817 -ben publikálta találmányának leírását [1] . Poisson francia matematikus azonban még 1813-ban Bonenbergert említi ennek az eszköznek a feltalálójaként [2] . A Bonenberger giroszkóp fő alkatrésze egy forgó masszív golyó volt kardán felfüggesztésben [3] . 1832-ben az amerikai Walter R. Johnson feltalálta a forgótárcsás giroszkópot [4] [5] . Laplace francia tudós oktatási célokra ajánlotta ezt a készüléket [6] . Foucault francia tudós 1852-ben tökéletesítette a giroszkópot, és először használta irányváltoztatást (jelen esetben a Földet) mutató eszközként, egy évvel a Foucault-inga feltalálása után , amely szintén az éghajlat konzerválásán alapult. forgási impulzus [7] . Foucault volt az, aki megalkotta a „giroszkóp” nevet. Foucault, akárcsak Bonenberger, gimbalt használt. Legkésőbb 1853-ban Fessel feltalálta a giroszkóp felfüggesztésének egy másik változatát [8] .
A giroszkóp előnye az ősibb eszközökkel szemben, hogy nehéz körülmények között (rossz látási viszonyok, remegés, elektromágneses interferencia) is megfelelően működött. A giroszkóp forgása azonban a súrlódás miatt gyorsan lelassult.
A 19. század második felében a giroszkóp forgásának felgyorsítására és fenntartására villanymotor alkalmazását javasolták. A gyakorlatban először az 1880-as években Aubrey mérnök használta a giroszkópot a torpedó lefutásának stabilizálására . A 20. században a giroszkópokat repülőgépekben, rakétákban és tengeralattjárókban kezdték használni az iránytű helyett vagy azzal együtt.
A giroszkópok fő típusai a szabadságfokok száma szerint :
A giroszkópok két fő típusa a működési elv szerint:
Kutatások folynak olyan nukleáris giroszkópok létrehozására is, amelyek NMR segítségével követik nyomon az atommagok forgásának változásait . [9]
A mechanikus giroszkópok közül kiemelkedik a forgó giroszkóp - egy gyorsan forgó szilárd test ( rotor ), amelynek forgástengelye szabadon változtathatja az irányt a térben. Ebben az esetben a giroszkóp forgási sebessége jelentősen meghaladja a forgástengely forgási sebességét. Az ilyen giroszkóp fő tulajdonsága, hogy képes fenntartani a forgástengely állandó irányát a térben a rá ható külső erőnyomatékok hiányában, és hatékonyan ellenállni a külső erőnyomatékok hatásának. Ezt a tulajdonságot nagymértékben meghatározza a giroszkóp saját forgásának szögsebessége.
Ezt a tulajdonságot először Foucault használta 1852 -ben a Föld forgásának kísérleti bemutatására . Ennek a bemutatónak köszönhető, hogy a giroszkóp a nevét a görög „forgás”, „megfigyelem” szavakból kapta.
A három fokos forgó giroszkóp tulajdonságaiA forgórész forgástengelyére merőleges tengely körüli külső erő nyomatékának kitéve a giroszkóp a precessziós tengely körül forogni kezd , amely merőleges a külső erők nyomatékára.
A giroszkóp viselkedését inerciális vonatkoztatási rendszerben Newton második törvényének következményei szerint az egyenlet írja le.
ahol a és a vektorok a giroszkópra ható erő nyomatéka és szögimpulzusa .
A szögimpulzusvektor változása egy nyomaték hatására nemcsak nagyságrendben, hanem irányban is lehetséges. Konkrétan a giroszkóp forgástengelyére merőleges, azaz -ra merőleges erőnyomaték mind a -ra , mind a -ra merőleges mozgáshoz vezet , vagyis a precesszió jelenségére . A giroszkóp precessziójának szögsebességét a szögimpulzus és az alkalmazott erő nyomatéka határozza meg [10] :
azaz fordítottan arányos a giroszkóp forgórészének impulzusnyomatékával, vagy a forgórész állandó tehetetlenségi nyomatéka mellett a forgási sebességével.
A precesszió kezdetével egyidejűleg, Newton harmadik törvényének következményeként , a giroszkóp a giroszkópra ható nyomatékkal azonos nagyságú és ellentétes irányú reakciónyomatékkal kezd hatni az őt körülvevő testekre . Ezt a reakciómomentumot giroszkópos momentumnak nevezik.
A giroszkóp ugyanazon mozgása másként értelmezhető, ha a rotorházhoz tartozó nem inerciális vonatkoztatási rendszert használunk, és fiktív tehetetlenségi erőt vezetünk be - az úgynevezett Coriolis-erőt . Így egy külső erőnyomaték hatására a giroszkóp kezdetben pontosan a külső nyomatékhatás ( nutációs dobás) irányába fog forogni. Így a giroszkóp minden részecskéje hordozható forgási szögsebességgel fog mozogni ennek a pillanatnak a hatására. De a giroszkóp forgórésze ráadásul önmagában is forog, így minden részecske relatív sebességgel rendelkezik. Ennek eredményeként egy Coriolis-erő keletkezik, amely hatására a giroszkóp az alkalmazott nyomatékra merőleges irányban mozog, azaz precesszál.
Rezgő giroszkópokA vibrációs giroszkópok olyan eszközök, amelyek megtartják rezgésük irányát az alap elforgatásakor.
Lézergiroszkópokra (aktív optikai), passzív optikai giroszkópokra, száloptikai és integrált optikai giroszkópokra (FOGi IOG) oszthatók . A működési elv az 1913-ban felfedezett Sagnac-effektuson alapul [11] [12] . Elméletileg az SRT segítségével magyarázzák . Az SRT szerint a fénysebesség bármely tehetetlenségi vonatkoztatási rendszerben állandó [13] . Míg egy nem inerciarendszerben eltérhet a c -től [14] . Amikor fénysugarat küldünk a készülék forgásirányában és a forgásirány ellenében, a sugarak érkezési idejének különbsége (amelyet az interferométer határoz meg ) lehetővé teszi, hogy megtalálja a sugarak optikai útjai közötti különbséget. az inerciális vonatkoztatási rendszerben, és ezért az eszköz szögelfordulásának mértéke a sugár áthaladása során. A hatás nagysága egyenesen arányos az interferométer forgási szögsebességével és az interferométerben a fényhullámok terjedésének területével [ 11] :
ahol a különböző irányú kibocsátott sugarak érkezési idejének különbsége, a körvonal területe, a giroszkóp szögsebessége.
Mivel az érték nagyon kicsi, így passzív interferométerekkel történő közvetlen mérése csak 500-1000 m szálhosszúságú száloptikai giroszkópban lehetséges A lézergiroszkóp forgógyűrűs interferométerében a lézergiroszkóp fáziseltolódása mérhető. ellenszaporító hullámok, egyenlő: [11] :
hol van a hullámhossz.
A giroszkóp tulajdonságait olyan eszközökben használják - giroszkópokban, amelyek fő része egy gyorsan forgó rotor , amely több szabadságfokkal rendelkezik (a lehetséges forgási tengelyek).
Leggyakrabban giroszkópokat használnak, amelyeket kardán felfüggesztésbe helyeznek . Az ilyen giroszkópok 3 szabadságfokkal rendelkeznek, azaz 3 független forgást tudnak végrehajtani az AA' , BB' és CC' tengelyek körül, amelyek az O felfüggesztés középpontjában metszik egymást , amely az A alaphoz képest mozdulatlan marad .
Azokat a giroszkópokat, amelyek tömegközéppontja egybeesik az O felfüggesztés középpontjával, asztatikusnak, egyébként statikus giroszkópnak nevezzük.
A giroszkóp forgórészének nagy sebességű forgásának biztosítására speciális giromotorokat használnak .
A giroszkóp vezérléséhez és az abból származó információk vételéhez szögérzékelőket és nyomatékérzékelőket használnak .
A giroszkópokat mind a navigációs rendszerekben ( állásszög , girocompass , INS stb.), mind az űrhajók tájékozódási és stabilizáló rendszereiben használják alkatrészként. Függőleges giroszkópban történő használat esetén a giroszkóp leolvasott értékeit gyorsulásmérővel (ingával) kell korrigálni , mivel a Föld napi forgása és a giroszkóp eltávolodása miatt a valódi függőlegestől való eltérés történik. Ezenkívül a mechanikus giroszkópok felhasználhatják tömegközéppontjának elmozdulását, ami egyenértékű az inga giroszkópra gyakorolt közvetlen hatásával [15] .
Ezek a rendszerek szükségesek a kívánt paraméter egy bizonyos állandó szinten tartásához. Ehhez be kell állítani a szabályozott változó kívánt értékét. [16]
A stabilizáló rendszerek három fő típusból állnak.
Minden tengely körül egy giroszkóp szükséges a stabilizáláshoz. A stabilizálást giroszkóp és tehermentesítő motor végzi, először a giroszkópos nyomaték hat, majd a tehermentesítő motort csatlakoztatják.
Minden tengely körül egy giroszkóp szükséges a stabilizáláshoz. A stabilizálást csak a motorok tehermentesítése végzi, de az elején megjelenik egy kis giroszkópos momentum, ami elhanyagolható.
A két tengely körüli stabilizáláshoz egy giroszkóp szükséges. A stabilizálás csak a motorok tehermentesítésével történik.
A giroszkópos hatást a kézi és tüzérségi puskás fegyverek irányítatlan lőszereinek repülésének stabilizálására használják azáltal, hogy a hossztengely körül forognak [17] . Ugyanezt lehet elérni bizonyos lőszereknél, amelyek tollazata bizonyos szögben van a hossztengelyhez képest, például rakétáknál . Az irányított lőszerek, különösen a cirkáló rakéták , giroszkópokat használhatnak.
A giroszkópok pontosságával és teljesítményjellemzőivel szembeni egyre növekvő igények a világ számos országában arra kényszerítették a tudósokat és mérnököket, hogy ne csak a klasszikus, forgó rotoros giroszkópokat fejlesszék tovább, hanem olyan alapvetően új ötleteket is keressenek, amelyek lehetővé tették a oldja meg a tárgy szögelmozdulásának paramétereinek mérésére és megjelenítésére szolgáló érzékeny érzékelők létrehozásának problémáját.
Jelenleg több mint száz különféle jelenség és fizikai elv ismert, amelyek lehetővé teszik giroszkópos problémák megoldását. A vonatkozó találmányokra több ezer szabadalmat adtak ki az USA -ban , az EU -ban , Japánban és Oroszországban .
Mivel a precíziós giroszkópokat nagy hatótávolságú stratégiai rakéták irányítórendszereiben használják, az ezen a területen végzett kutatásokat a hidegháború idején minősített kategóriába sorolták.
Ígéretes irány a kvantumgiroszkópok fejlesztése .
Ma már kellően pontos giroszkópos rendszereket hoztak létre, amelyek a fogyasztók széles körét kielégítik. A katonai-ipari komplexumra elkülönített források csökkentése a világ vezető országainak költségvetésében jelentősen megnövelte az érdeklődést a giroszkópos technológia polgári alkalmazásai iránt. Például manapság széles körben elterjedt a mikromechanikus giroszkópok használata járművekben vagy videokamerás stabilizáló rendszerekben .
Az olyan navigációs módszerek támogatói szerint, mint a GPS és a GLONASS , a nagy pontosságú műholdas navigáció figyelemreméltó fejlődése szükségtelenné tette az autonóm navigációs segédeszközöket (a műholdas navigációs rendszer (SNS) lefedettségi területén, azaz a bolygón belül). Jelenleg az SNS-rendszerek tömeg, méret és költség tekintetében felülmúlják a giroszkópos rendszereket. Az eszköz térbeli szöghelyzetének megoldása azonban SNS-rendszerekkel (multi-antenna), bár lehetséges, igen nehézkes, és számos jelentős korlátja van, ellentétben a giroszkópos rendszerekkel.
Jelenleg a harmadik generációs navigációs műholdrendszer fejlesztése folyik . Lehetővé teszi a Föld felszínén lévő objektumok koordinátáinak meghatározását több centiméteres pontossággal differenciál módban, miközben a DGPS korrekciós jel lefedettségi területén tartózkodik . Ezzel állítólag nincs szükség iránygiroszkópok használatára. Például két műholdjel-vevő felszerelése a repülőgép szárnyaira lehetővé teszi a repülőgép függőleges tengely körüli forgásával kapcsolatos információk megszerzését.
Az SNS-rendszerek azonban nem képesek pontosan meghatározni a helyzetet városi környezetben, rossz műholdláthatóság mellett. Hasonló problémák tapasztalhatók az erdős területeken. Ezenkívül az SNS-jelek áthaladása a légkörben zajló folyamatoktól, akadályoktól és a jelek visszaverődésétől függ. Az autonóm giroszkópos eszközök bárhol működnek - föld alatt, víz alatt, űrben.
Repülőgépeken az SNS pontosabbnak bizonyul , mint az INS hosszú szakaszokon. De a két SNS vevő használata a repülőgép dőlésszögének mérésére akár több fokos hibát is eredményezhet. A repülõgép sebességének SNA segítségével történõ meghatározásával történõ irányszámítás sem elég pontos. Ezért a modern navigációs rendszerekben az optimális megoldás a műholdas és giroszkópos rendszerek kombinációja, úgynevezett integrált (integrált) INS/SNS rendszer.
Az elmúlt évtizedekben a giroszkópos technológia evolúciós fejlődése megközelítette a minőségi változások küszöbét. Éppen ezért a giroszkópia területén dolgozó szakemberek figyelme most az ilyen eszközök nem szabványos alkalmazásaira irányul. Teljesen új érdekes feladatok nyíltak: geológiai feltárás, földrengés-előrejelzés, vasutak és olajvezetékek helyzetének ultraprecíz mérése, orvostechnika és még sok más.
A MEMS érzékelők gyártási költségeinek jelentős csökkenése oda vezetett, hogy egyre gyakrabban használják őket okostelefonokban és játékkonzolokban .
A giroszkópokat játékkonzolok vezérlőiben használták: a Sixaxis a Sony PlayStation 3-hoz és a Wii MotionPlus a Nintendo Wiihez és későbbiekhez. A giroszkóppal együtt gyorsulásmérővel is rendelkeznek.
Kezdetben az okostelefonok egyetlen orientációs érzékelője egy háromtengelyes MEMS gyorsulásmérő volt , amely csak a gyorsulásra volt érzékeny. Relatív nyugalmi állapotban lehetővé tette a Föld gravitációs erővektorának (g) irányának közelítő becslését . 2010 óta az okostelefonokat háromtengelyes vibrációs MEMS giroszkóppal is felszerelik, az egyik első az iPhone 4. Néha magnetométert (elektronikus iránytűt) is telepítenek a giroszkópok elmozdulásának kompenzálására. [18] [19]
A giroszkóp alapján készült játékok legegyszerűbb példái a yo-yo , top (yula) , spinner (a felsők abban különböznek a giroszkópoktól, hogy nincs egyetlen fix pontjuk).
Ezen kívül van egy sport giroszkóp szimulátor .
Számos rádióvezérlésű helikopter használ giroszkópot.
A multikopterek , különösen a quadrocopterek repüléséhez legalább három giroszkópra van szükség .
![]() |
| |||
---|---|---|---|---|
|