Gyroskop

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 15. juli 2022; checks kræver 23 redigeringer .

Et gyroskop (fra andre græske γῦρος  "cirkel" + σκοπέω  "jeg ser") er en enhed, der er i stand til at reagere på ændringer i orienteringsvinklerne for det legeme , hvorpå det er installeret i forhold til den inertimæssige referenceramme . Det enkleste eksempel på et gyroskop er en snurretop .

Udtrykket blev først introduceret af J. Foucault i hans rapport i 1852 ved det franske videnskabsakademi . Rapporten var viet til metoder til eksperimentel påvisning af jordens rotation i inertirummet . Dette er årsagen til navnet "gyroskop".

Historie

Før opfindelsen af ​​gyroskopet brugte menneskeheden forskellige metoder til at bestemme retning i rummet. Siden oldtiden er folk blevet visuelt guidet af fjerne objekter, især af Solen . Allerede i antikken dukkede de første enheder baseret på tyngdekraften op: lod og niveau . I middelalderen blev kompasset opfundet i Kina ved hjælp af jordens magnetisme. I det antikke Grækenland blev astrolabiet og andre instrumenter baseret på stjernernes position skabt.

Gyroskopet blev opfundet af John Bonenberger og udgav en beskrivelse af hans opfindelse i 1817 [1] . Imidlertid nævner den franske matematiker Poisson tilbage i 1813 Bonenberger som opfinderen af ​​denne enhed [2] . Hoveddelen af ​​Bonenberger-gyroskopet var en roterende massiv kugle i et kardanophæng [3] . I 1832 opfandt amerikaneren Walter R. Johnson det drejende skive-gyroskop [4] [5] . Den franske videnskabsmand Laplace anbefalede denne enhed til uddannelsesformål [6] . I 1852 forbedrede den franske videnskabsmand Foucault gyroskopet og brugte det for første gang som en enhed, der viser en ændring i retning (i dette tilfælde Jorden), et år efter opfindelsen af ​​Foucault-pendulet , også baseret på bevarelsen af rotationsmomentum [7] . Det var Foucault, der opfandt navnet "gyroskop". Foucault brugte ligesom Bonenberger kardan. Senest i 1853 opfandt Fessel en anden version af gyroskopophænget [8] .

Fordelen ved gyroskopet i forhold til mere ældgamle enheder var, at det fungerede korrekt under vanskelige forhold (dårlig sigtbarhed, rystelser, elektromagnetisk interferens). Gyroskopets rotation aftog dog hurtigt på grund af friktion.

I anden halvdel af det 19. århundrede blev det foreslået at bruge en elektrisk motor til at accelerere og opretholde rotationen af ​​gyroskopet. For første gang i praksis blev gyroskopet brugt i 1880'erne af ingeniøren Aubrey til at stabilisere forløbet af en torpedo . I det 20. århundrede begyndte gyroskoper at blive brugt i fly, raketter og ubåde i stedet for eller i forbindelse med et kompas.

Klassifikation

De vigtigste typer af gyroskoper i henhold til antallet af frihedsgrader :

De to vigtigste typer gyroskoper i henhold til driftsprincippet:

Forskning er også i gang for at skabe nukleare gyroskoper, der bruger NMR til at spore ændringer i atomkerners spin. [9]

Mekaniske gyroskoper

Blandt mekaniske gyroskoper skiller et roterende gyroskop sig ud  - et hurtigt roterende fast legeme ( rotor ), hvis rotationsakse frit kan ændre orientering i rummet. I dette tilfælde overstiger gyroskopets rotationshastighed væsentligt rotationshastigheden for dets rotationsakse. Hovedegenskaben ved et sådant gyroskop er evnen til at opretholde en konstant retning af rotationsaksen i rummet i fravær af ydre kraftmomenter, der virker på det og effektivt modstå virkningen af ​​ydre kraftmomenter. Denne egenskab er i høj grad bestemt af værdien af ​​vinkelhastigheden af ​​gyroskopets egen rotation.

Denne egenskab blev første gang brugt af Foucault i 1852 til eksperimentelt at demonstrere Jordens rotation . Det er takket være denne demonstration, at gyroskopet fik sit navn fra de græske ord for "rotation", "jeg observerer".

Egenskaber for et tre-graders roterende gyroskop

Når det udsættes for det ydre kraftmoment omkring en akse vinkelret på rotorens rotationsakse, begynder gyroskopet at rotere omkring præcessionsaksen , som er vinkelret på det ydre kræfter.

Et gyroskops opførsel i en inerti-referenceramme beskrives, ifølge konsekvensen af ​​Newtons anden lov , ved ligningen

hvor vektorerne og er henholdsvis kraftmomentet, der virker på gyroskopet og dets vinkelmoment .

En ændring i vinkelmomentvektoren under påvirkning af et kraftmoment er ikke kun mulig i størrelse, men også i retning. Især et kraftmoment påført vinkelret på gyroskopets rotationsakse, det vil sige vinkelret på , fører til en bevægelse vinkelret på begge , og det vil sige på fænomenet præcession . Vinkelhastigheden af ​​gyroskoppræcessionen bestemmes af dens vinkelmomentum og momentet af den påførte kraft [10] :

det vil sige, at den er omvendt proportional med gyroskoprotorens momentum eller, med et konstant inertimoment af rotoren, med dens rotationshastighed.

Samtidig med begyndelsen af ​​præcession, vil gyroskopet ifølge konsekvensen af ​​Newtons tredje lov begynde at virke på de kroppe, der omgiver det med et reaktionsmoment, der er lige stort og modsat i retning af det øjeblik , der påføres gyroskopet. Dette reaktionsmoment kaldes det gyroskopiske moment.

Den samme bevægelse af gyroskopet kan fortolkes forskelligt, hvis vi bruger et ikke-inertielt referencesystem forbundet med rotorhuset og indfører en fiktiv inertikraft i det  - den såkaldte Coriolis-kraft . Under påvirkning af et eksternt kraftmoment vil gyroskopet således til at begynde med rotere præcist i retning af den ydre momentvirkning ( nutationskast ). Hver partikel i gyroskopet vil således bevæge sig med en bærbar vinkelhastighed på grund af virkningen af ​​dette øjeblik. Men gyroskopets rotor roterer desuden sig selv, så hver partikel vil have en relativ hastighed. Som et resultat opstår der en Coriolis-kraft, som får gyroskopet til at bevæge sig i en retning vinkelret på det påførte moment, altså at præcessere.

Vibrerende gyroskoper

Vibrerende gyroskoper er enheder, der fastholder retningen af ​​deres svingninger, når basen drejes.

Optiske gyroskoper

De er opdelt i lasergyroskoper (aktive optiske), passive optiske gyroskoper, fiberoptiske og integrerede optiske (FOGi IOG). Funktionsprincippet er baseret på Sagnac-effekten opdaget i 1913 [11] [12] . Teoretisk forklares det ved hjælp af SRT . Ifølge SRT er lysets hastighed konstant i enhver inertiereferenceramme [13] . Mens det i et ikke-inertielt system kan det afvige fra c [14] . Når du sender en lysstråle i enhedens rotationsretning og mod rotationsretningen, giver forskellen i strålernes ankomsttidspunkt (bestemt af interferometeret ) dig mulighed for at finde forskellen i strålernes optiske veje i den inertielle referenceramme, og derfor mængden af ​​vinkeldrejning af anordningen under passagen af ​​strålen. Effektens størrelse er direkte proportional med interferometerets rotationsvinkelhastighed og det område , der er dækket af udbredelsen af ​​lysbølger i interferometeret [11] :

hvor er forskellen i ankomsttiderne for stråler, der udsendes i forskellige retninger,  er konturområdet,  er gyroskopets vinkelhastighed.

Da værdien er meget lille, er dens direkte måling ved hjælp af passive interferometre kun mulig i fiberoptiske gyroskoper med en fiberlængde på 500–1000 m. I et roterende ringinterferometer i et lasergyroskop er det muligt at måle faseforskydningen af modvirkende bølger, lig med [11] :

hvor  er bølgelængden.

Ansøgning i teknik

Egenskaberne af et gyroskop bruges i enheder - gyroskoper, hvoraf hoveddelen er en hurtigt roterende rotor , som har flere frihedsgrader (akser med mulig rotation).

Oftest bruges gyroskoper, placeret i kardanophæng . Sådanne gyroskoper har 3 frihedsgrader, det vil sige, at de kan lave 3 uafhængige rotationer omkring akserne AA' , BB' og CC' , der skærer i midten af ​​ophænget O , som forbliver stationært i forhold til basen A.

Gyroskoper, hvis massecenter falder sammen med ophængets centrum O , kaldes astatiske, ellers kaldes de statiske gyroskoper.

For at sikre rotation af gyroskoprotoren ved høj hastighed, anvendes specielle gyromotorer .

For at styre gyroskopet og tage information fra det, bruges vinkelsensorer og momentsensorer .

Gyroskoper bruges som komponenter både i navigationssystemer ( stillingsvinkel , gyrokompas , INS osv.) og i rumfartøjers orienterings- og stabiliseringssystemer . Når det bruges i et lodret gyroskop , skal gyroskopets aflæsninger korrigeres med et accelerometer (pendul), da der på grund af Jordens daglige rotation og gyroskopets afgang opstår en afvigelse fra den sande lodrette. Derudover kan mekaniske gyroskoper bruge forskydningen af ​​dets massecenter, hvilket svarer til pendulets direkte indvirkning på gyroskopet [15] .

Stabiliseringssystemer

Disse systemer er nødvendige for at opretholde den ønskede parameter på et bestemt konstant niveau. Dette kræver indstilling af den påkrævede værdi af den kontrollerede variabel. [16]

Stabiliseringssystemer er af tre hovedtyper.

  • Kraftstabiliseringssystem (på to-graders gyroskoper).

Et gyroskop er nødvendigt for at stabilisere sig omkring hver akse. Stabilisering udføres af et gyroskop og en aflæsningsmotor, først virker det gyroskopiske moment, og derefter tilsluttes aflæssningsmotoren.

  • System af indikator-effekt stabilisering (på to-trins gyroskoper).

Et gyroskop er nødvendigt for at stabilisere sig omkring hver akse. Stabilisering udføres kun ved aflæsning af motorer, men i begyndelsen opstår et lille gyroskopisk moment, som kan forsømmes.

  • Indikatorstabiliseringssystem (på tre-trins gyroskoper)

Til stabilisering omkring to akser kræves et gyroskop. Stabilisering udføres kun ved aflæsning af motorer.

Den gyroskopiske effekt bruges til at stabilisere flyvningen af ​​ustyret ammunition af hånd- og artilleri riflede våben ved at give dem rotation omkring længdeaksen [17] . Det samme kan opnås i noget ammunition med fjerdragt sat i en bestemt vinkel i forhold til længdeaksen, for eksempel i raketter . Styret ammunition, især krydsermissiler , kan bruge gyroskoper.

Nye typer gyroskoper

De stadigt voksende krav til gyroinstrumenters nøjagtighed og ydeevne har tvunget forskere og ingeniører i mange lande i verden til ikke kun at forbedre klassiske gyroskoper med en roterende rotor, men også til at lede efter fundamentalt nye ideer, der har gjort det muligt at løse problemet med at skabe følsomme sensorer til måling og visning af parametrene for en genstands vinkelbevægelse.

I øjeblikket kendes mere end hundrede forskellige fænomener og fysiske principper, der tillader løsning af gyroskopiske problemer. Der er udstedt tusindvis af patenter for relevante opfindelser i USA , EU , Japan , Rusland .

Fordi præcisionsgyroskoper bruges i styresystemer til langtrækkende strategiske missiler, blev forskning på dette område klassificeret som klassificeret under den kolde krig.

En lovende retning er udviklingen af ​​kvantegyroskoper .

Udsigter for udvikling af gyroskopisk navigation

I dag er der skabt tilstrækkeligt nøjagtige gyroskopiske systemer, som tilfredsstiller en bred vifte af forbrugere. Reduktionen af ​​midler afsat til det militærindustrielle kompleks i budgetterne i de førende verdenslande har kraftigt øget interessen for civile anvendelser af gyroskopisk teknologi. For eksempel er brugen af ​​mikromekaniske gyroskoper i bil- eller videokamerastabiliseringssystemer udbredt i dag .

Ifølge fortalere for navigationsmetoder såsom GPS og GLONASS har de bemærkelsesværdige fremskridt inden for højpræcisionssatellitnavigation gjort autonome navigationshjælpemidler unødvendige (inden for dækningsområdet for et satellitnavigationssystem (SNS), dvs. inden for planeten). På nuværende tidspunkt overgår SNS-systemer gyroskopiske systemer med hensyn til masse, størrelse og pris. Men løsningen af ​​enhedens vinkelposition i rummet ved hjælp af SNS-systemer (multi-antenne), selvom det er muligt, er meget vanskelig og har en række væsentlige begrænsninger i modsætning til gyroskopiske systemer.

Et tredje generations navigationssatellitsystem er i øjeblikket under udvikling . Det vil gøre det muligt at bestemme koordinaterne for objekter på jordens overflade med en nøjagtighed på flere centimeter i differentialtilstanden, mens den er i dækningsområdet for DGPS -korrektionssignalet . Dette eliminerer angiveligt behovet for at bruge kursgyroskoper. For eksempel gør installationen af ​​to satellitsignalmodtagere på et flys vinger det muligt at få information om flyets rotation omkring en lodret akse.

SNS-systemer er dog ude af stand til nøjagtigt at bestemme positionen i bymiljøer med dårlig satellitsynlighed. Lignende problemer findes i skovområder. Derudover afhænger passagen af ​​SNS-signaler af processer i atmosfæren, forhindringer og signalrefleksioner. Autonome gyroskopiske enheder fungerer overalt - under jorden, under vand, i rummet.

I fly viser SNS sig at være mere nøjagtig end INS i lange sektioner. Men brugen af ​​to SNS-modtagere til at måle flyets hældningsvinkler giver fejl på op til flere grader. Beregningen af ​​kursen ved at bestemme flyets hastighed ved hjælp af SNA er heller ikke nøjagtig nok. Derfor er den optimale løsning i moderne navigationssystemer en kombination af satellit- og gyroskopiske systemer, kaldet et integreret (integreret) INS/SNS-system.

I løbet af de sidste årtier har den evolutionære udvikling af gyroskopisk teknologi nærmet sig tærsklen for kvalitative ændringer. Det er grunden til, at opmærksomheden fra specialister inden for gyroskopi nu er fokuseret på søgningen efter ikke-standardiserede anvendelser af sådanne enheder. Helt nye interessante opgaver er åbnet op: geologisk udforskning, forudsigelse af jordskælv, ultrapræcis måling af positionerne for jernbaner og olierørledninger, medicinsk teknologi og mange andre.

Brug i husholdningsapparater

En væsentlig reduktion i produktionsomkostningerne for MEMS- sensorer har ført til, at de i stigende grad bruges i smartphones og spillekonsoller .

Gyroskoper er blevet brugt i controllere til spilkonsoller: Sixaxis til Sony PlayStation 3 og Wii MotionPlus til Nintendo Wii og senere. Sammen med gyroskopet har de et accelerometer.

Oprindeligt var den eneste orienteringssensor i smartphones et tre-akset MEMS accelerometer , kun følsomt over for acceleration. I en tilstand af relativ hvile gjorde det det muligt tilnærmelsesvis at estimere retningen af ​​Jordens gravitationskraftvektor ( g) . Siden 2010 er smartphones desuden blevet udstyret med et tre-akset vibrations-MEMS-gyroskop, et af de første var iPhone 4. Nogle gange er der også installeret et magnetometer (elektronisk kompas) for at kompensere for gyroskopernes drift. [18] [19]

Gyrobaseret legetøj

De enkleste eksempler på legetøj lavet på basis af et gyroskop er yo-yo , top (yula) , spinner (toppe adskiller sig fra gyroskoper ved, at de ikke har et enkelt fikspunkt).

Derudover er der en sportsgyrosimulator .

En række radiostyrede helikoptere bruger et gyroskop.

Mindst tre gyroskoper er nødvendige til flyvning af multikoptere , især quadrokoptere.

Se også

Noter

  1. ↑ Johann G.F. Bohnenberger (1817) "Beschreibung einer Maschine zur Erläuterung der Gesetze der Umdrehung der Erde um ihre Axe, und der Veränderung der Lage der letzteren" ("Beskrivelse af en maskine til at forklare jordens rotationslove omkring sin akse og at ændre retningen af ​​sidstnævnte") Tübinger Blätter für Naturwissenschaften und Arzneikunde , vol. 3, side 72-83. Online: http://www.ion.org/museum/files/File_1.pdf Arkiveret 19. juli 2011 på Wayback Machine
  2. ↑ Simeon-Denis Poisson (1813) "Mémoire sur un cas particulier du mouvement de rotation des corps pesans" ("Artikel om et særligt tilfælde af rotationsbevægelse af massive legemer"), Journal de l'École Polytechnique , vol. 9, side 247-262. Online: http://www.ion.org/museum/files/File_2.pdf Arkiveret 19. juli 2011 på Wayback Machine
  3. ↑ Foto af Bonenberger-gyroskopet: http://www.ion.org/museum/item_view.cfm?cid=5&scid=12&iid=24 Arkiveret 28. september 2007 på Wayback Machine
  4. ↑ Walter R. Johnson (januar 1832) "Beskrivelse af et apparat kaldet rotaskopet til at udstille adskillige fænomener og illustrere visse love for roterende bevægelse," The American Journal of Science and Art , 1. serie, vol. 21, nr. 2, side 265-280. Online: https://books.google.com/books?id=BjwPAAAAYAAJ&pg=PA265&lpg=PR5&dq=Johnson+rotascope&ie=ISO-8859-1&output=html Arkiveret 30. september 2014 på Wayback Machine
  5. ↑ Illustrationer af Walter R. Johnsons gyroskop ("rotascope") vises i: Board of Regents, Tenth Annual Report of Board of Regents of the Smithsonian Institution…. (Washington, DC: Cornelius Wendell, 1856), side 177-178. Online: https://books.google.com/books?id=fEyT4sTd7ZkC&pg=PA178&dq=Johnson+rotascope&ie=ISO-8859-1&output=html Arkiveret 25. september 2014 på Wayback Machine
  6. ↑ Wagner JF, "The Machine of Bohnenberger," The Institute of Navigation. Online: http://www.ion.org/museum/item_view.cfm?cid=5&scid=12&iid=24 Arkiveret 28. september 2007 på Wayback Machine
  7. ↑ L. Foucault (1852) "Sur les phénomènes d'orientation des corps tournants entraînés par un ax fixe à la surface de la terre," Comptes rendus hebdomadaires des séances de l'Académie des Sciences (Paris) , vol. 35, side 424-427.
  8. ↑ (1) Julius Plücker (september 1853) "Über die Fessel'sche rotationsmachine," Annalen der Physik , vol. 166, nr. 9, side 174-177; (2) Julius Plücker (oktober 1853) "Noch ein wort über die Fessel'sche rotationsmachine," Annalen der Physik , vol. 166, nr. 10, side 348-351; (3) Charles Wheatstone (1864) "On Fessel's gyroscope," Proceedings of the Royal Society of London , vol. 7, side 43-48. В интернете: https://books.google.com/books?id=CtGEAAAAIAAJ&pg=RA1-PA307&lpg=RA1-PA307&dq=Fessel+gyroscope&source=bl&ots=ZP0mYYrp_d&sig=DGmUeU4MC8hAMuBtDSQn4GpAyWc&hl=en&ei=N4s9SqOaM5vKtgf62vUH&sa=X&oi=book_result&ct=result&resnum=9 Архивная копия dateret 30. september 2014 på Wayback Machine .
  9. ↑ Nuklear gyroskop Arkiveret 16. januar 2014 på Wayback Machine (Physical Encyclopedic Dictionary); Northrop Grumman demonstrerer et miniature mikro-NMRG gyroskop Arkiveret 9. november 2013 på Wayback Machine , 30/10/2013; Nuklear Magnetic Resonance Gyroscopes Arkiveret 16. januar 2014 på Wayback Machine , NIST
  10. ↑ Saveliev, 2004 , s. 190-197.
  11. ↑ 1 2 3 Raspopov, 2009 , s. 62-64.
  12. ↑ Georges Sagnac . L'ether lumineux demontre par l'effet du vent relatif d'ether dans un interferometre en rotation uniforme Arkiveret 26. maj 2013 på Wayback Machine , Comptes Rendus 157 (1913), S. 708-710
  13. ↑ Landau L. D. , Lifshitz E. M. Felteori. - 8. udgave, stereotypisk. — M .: Fizmatlit , 2006. — 534 s. - (" Teoretisk fysik ", bind II). — ISBN 5-9221-0056-4 .
  14. ↑ Saveliev, 2004 , s. 255-256.
  15. ↑ Pelpor, 1988 , s. 170-171.
  16. ↑ A.V. Andryushin, V.R. Sabanin, N.I. Smirnov. Ledelse og innovation inden for termisk kraftteknik. - M: MPEI, 2011. - S. 15. - 392 s. - ISBN 978-5-38300539-2 .
  17. ↑ Vnukov V.P. Artilleri. Ed. 2. rev. og yderligere / Kapitel 6. Top og gyroskop // M .: Statsmilitært forlag af USSRs Folkekommissariat for Forsvar , 1938. - 360 s., illus.
  18. ↑ [1] Arkiveret 16. januar 2014 på Wayback Machine [2] Arkiveret 16. januar 2014 på Wayback Machine [3] Arkiveret 10. april 2022 på Wayback Machine
  19. ↑ Første MEMS gyro-smartphone, der sendes i juni; det vil ikke være den sidste Arkiveret 24. september 2015 på Wayback Machine // EETimes, 5/11/2010

Litteratur

  • Borozdin VN  Gyroskopiske instrumenter og enheder til kontrolsystemer: Proc. tilskud til universiteter. - M . : Mashinostroenie, 1990. - 272 s. — ISBN 5-217-00359-6 .
  • Gyroskopiske systemer / Udg. D. S. Pelpora . Klokken 3 - M .: Højere Skole, 1986-1988. Del 1: Teori om gyroskoper og gyroskopiske stabilisatorer. 1986; Del 2: Gyroskopiske enheder og systemer. 1988; Del 3: Elementer af gyroskopiske instrumenter. 1988
  • Matveev VV, Raspopov V. Ya  Fundamentals af konstruktion af strapdown inerti-navigationssystemer. 2. udg. / Ed. V. Ya. Raspopova. - Sankt Petersborg. : Centralforskningsinstituttet "Elektropribor", 2009. - 280 s. - ISBN 978-5-900780-73-3 .
  • Merkuriev I. V. , Podalkov V. V.  Dynamik af mikromekaniske og bølgefaststofgyroskoper. - M. : Fizmatlit, 2009. - 226 s. - ISBN 978-5-9221-1125-6 .
  • Pavlovsky M. A.  Teori om gyroskoper: Lærebog for universiteter. - Kiev: Vishcha-skolen, 1986. - 303 s.
  • Pelpor D.S.  Gyroskopiske systemer. Del 2. Gyroskopiske enheder og systemer. 2. udg. - M . : Højere skole, 1988. - 424 s. - 6000 eksemplarer.  - ISBN 5-06-001186-0 .
  • Savelyev I.V.  Kursus i generel fysik. T. 1. Mekanik. - M. : Astrel, 2004. - T. 1. - 336 s. - 5000 eksemplarer.  — ISBN 5-17-002963-2 . .
  • Sivukhin DV Almen kursus i fysik. - 5. udgave, stereotypisk. - M . : Fizmatlit , 2006. - T. I. Mechanics. — 560 s. - ISBN 5-9221-0715-1 .
  • Klimov D.M. , Zhuravlev V.F. , Zhbanov Yu.K. Kvarts halvkugleformet resonator (Wave solid-state gyroskop). - M. : Kim L.A., 2017. - 194 s. - ISBN 978-5-9909668-5-7 .

Links

  Gå til Wikidata-elementet  Ordbøger og encyklopædier