Gyroskop

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 15 juli 2022; kontroller kräver 23 redigeringar .

Ett gyroskop (från andra grekiska γῦρος  "cirkel" + σκοπέω  "Jag tittar") är en anordning som kan reagera på förändringar i orienteringsvinklarna för kroppen på vilken den är installerad i förhållande till tröghetsreferensramen . Det enklaste exemplet på ett gyroskop är en snurra .

Termen introducerades först av J. Foucault i hans rapport 1852 vid den franska vetenskapsakademin . Rapporten ägnades åt metoder för experimentell detektering av jordens rotation i tröghetsrymden . Detta är anledningen till namnet "gyroskop".

Historik

Före uppfinningen av gyroskopet använde mänskligheten olika metoder för att bestämma riktning i rymden. Sedan urminnes tider har människor guidats visuellt av avlägsna föremål, i synnerhet av solen . Redan under antiken dök de första enheterna baserade på gravitation upp: lod och nivå . Under medeltiden uppfanns kompassen i Kina , med hjälp av jordens magnetism. I antikens Grekland skapades astrolabiet och andra instrument baserade på stjärnornas position.

Gyroskopet uppfanns av John Bonenberger och publicerade en beskrivning av hans uppfinning 1817 [1] . Men den franske matematikern Poisson , redan 1813, nämner Bonenberger som uppfinnaren av denna anordning [2] . Huvuddelen av Bonenberger-gyroskopet var en roterande massiv kula i en kardanupphängning [3] . År 1832 uppfann amerikanen Walter R. Johnson det snurrande skivgyroskopet [4] [5] . Den franska vetenskapsmannen Laplace rekommenderade denna enhet för utbildningsändamål [6] . År 1852 förbättrade den franske forskaren Foucault gyroskopet och använde det för första gången som en anordning som visar en riktningsförändring (i detta fall jorden), ett år efter uppfinningen av Foucault-pendeln , också baserad på bevarandet av rotationsmomentum [7] . Det var Foucault som myntade namnet "gyroskop". Foucault, liksom Bonenberger, använde kardan. Senast 1853 uppfann Fessel en annan version av gyroskopupphängningen [8] .

Fördelen med gyroskopet framför äldre apparater var att det fungerade korrekt under svåra förhållanden (dålig sikt, skakningar, elektromagnetiska störningar). Gyroskopets rotation avtog dock snabbt på grund av friktion.

Under andra hälften av 1800-talet föreslogs att man skulle använda en elektrisk motor för att accelerera och bibehålla gyroskopets rotation. För första gången i praktiken användes gyroskopet på 1880-talet av ingenjören Aubrey för att stabilisera loppet av en torped . På 1900-talet började gyroskop användas i flygplan, raketer och ubåtar istället för eller i kombination med en kompass.

Klassificering

Huvudtyperna av gyroskop enligt antalet frihetsgrader :

De två huvudsakliga typerna av gyroskop enligt funktionsprincipen:

Forskning pågår också för att skapa nukleära gyroskop som använder NMR för att spåra förändringar i atomkärnors spinn. [9]

Mekaniska gyroskop

Bland mekaniska gyroskop sticker ett roterande gyroskop ut  - en snabbt roterande solid kropp ( rotor ), vars rotationsaxel fritt kan ändra orientering i rymden. I detta fall överstiger gyroskopets rotationshastighet avsevärt rotationshastigheten för dess rotationsaxel. Huvudegenskapen hos ett sådant gyroskop är förmågan att upprätthålla en konstant riktning av rotationsaxeln i rymden i frånvaro av externa kraftmoment som verkar på det och att effektivt motstå verkan av externa kraftmoment. Denna egenskap bestäms till stor del av värdet på vinkelhastigheten för gyroskopets egen rotation.

Denna egenskap användes först av Foucault 1852 för att experimentellt demonstrera jordens rotation . Det är tack vare denna demonstration som gyroskopet fick sitt namn från de grekiska orden för "rotation", "jag observerar".

Egenskaper för ett tregraders roterande gyroskop

När det utsätts för momentet av yttre kraft runt en axel vinkelrät mot rotorns rotationsaxel, börjar gyroskopet att rotera runt precessionsaxeln , som är vinkelrät mot momentet för yttre krafter.

Beteendet hos ett gyroskop i en tröghetsreferensram beskrivs, enligt konsekvensen av Newtons andra lag , med ekvationen

där vektorerna och är respektive kraftmomentet som verkar på gyroskopet och dess rörelsemängd .

En förändring i vinkelmomentvektorn under verkan av ett kraftmoment är möjlig inte bara i storlek utan också i riktning. I synnerhet ett kraftmoment som appliceras vinkelrätt mot gyroskopets rotationsaxel, det vill säga vinkelrätt mot , leder till en rörelse vinkelrätt mot båda , och det vill säga till fenomenet precession . Vinkelhastigheten för gyroskopprecessionen bestäms av dess vinkelmoment och momentet för den applicerade kraften [10] :

det vill säga den är omvänt proportionell mot gyroskoprotorns rörelsemoment eller, med ett konstant tröghetsmoment hos rotorn, mot dess rotationshastighet.

Samtidigt med början av precession, enligt konsekvensen av Newtons tredje lag , kommer gyroskopet att börja verka på de kroppar som omger det med ett reaktionsmoment som är lika stort och motsatt i riktning mot det ögonblick som appliceras på gyroskopet. Detta reaktionsmoment kallas det gyroskopiska momentet.

Samma rörelse hos gyroskopet kan tolkas annorlunda om vi använder ett icke-tröghetsreferenssystem som är associerat med rotorhuset och inför en fiktiv tröghetskraft i det  - den så kallade Corioliskraften . Sålunda, under påverkan av ett yttre kraftmoment, kommer gyroskopet initialt att rotera exakt i riktningen för den yttre momentverkan ( nutationskast ). Varje partikel i gyroskopet kommer således att röra sig med en bärbar vinkelhastighet på grund av detta moments verkan. Men gyroskopets rotor roterar dessutom sig själv, så varje partikel kommer att ha en relativ hastighet. Som ett resultat uppstår en Corioliskraft som gör att gyroskopet rör sig i en riktning vinkelrät mot det applicerade momentet, det vill säga att precessera.

Vibrerande gyroskop

Vibrerande gyroskop är enheter som bibehåller riktningen för sina svängningar när basen roteras.

Optiska gyroskop

De är indelade i lasergyroskop (aktiva optiska), passiva optiska gyroskop, fiberoptiska och integrerade optiska (FOGi IOG). Funktionsprincipen är baserad på Sagnac-effekten som upptäcktes 1913 [11] [12] . Teoretiskt förklaras det med hjälp av SRT . Enligt SRT är ljusets hastighet konstant i vilken tröghetsreferensram som helst [13] . Medan det i ett icke-tröghetssystem kan skilja sig från c [14] . När du skickar en ljusstråle i enhetens rotationsriktning och mot rotationsriktningen, låter skillnaden i strålarnas ankomsttid (bestämd av interferometern ) dig hitta skillnaden i strålarnas optiska vägar i den tröga referensramen och därför mängden vinkelrotation av anordningen under strålens passage. Effektens storlek är direkt proportionell mot interferometerns rotationshastighet och området som täcks av utbredningen av ljusvågor i interferometern [11] :

var är skillnaden i ankomsttider för strålar som emitteras i olika riktningar,  är konturområdet,  är gyroskopets vinkelhastighet.

Eftersom värdet är mycket litet är dess direkta mätning med passiva interferometrar endast möjlig i fiberoptiska gyroskop med en fiberlängd på 500–1000 m. I en roterande ringinterferometer i ett lasergyroskop är det möjligt att mäta fasförskjutningen av motriktade vågor, lika med [11] :

var  är våglängden.

Applikation inom teknik

Egenskaperna hos ett gyroskop används i enheter - gyroskop, vars huvuddel är en snabbt roterande rotor , som har flera frihetsgrader (axlar för möjlig rotation).

Oftast används gyroskop, placerade i kardanupphängning . Sådana gyroskop har 3 frihetsgrader, det vill säga de kan göra 3 oberoende rotationer runt axlarna AA' , BB' och CC' , som skär i mitten av upphängningen O , som förblir stationär i förhållande till basen A.

Gyroskop vars massacentrum sammanfaller med upphängningscentrum O kallas astatiska, annars kallas de statiska gyroskop.

För att säkerställa rotationen av gyroskoprotorn vid hög hastighet, används speciella gyromotorer .

För att styra gyroskopet och ta information från det används vinkelsensorer och momentsensorer .

Gyroskop används som komponenter både i navigationssystem ( attitydvinkel , gyrokompass , INS , etc.) och i rymdfarkosters orienterings- och stabiliseringssystem. När det används i ett vertikalt gyroskop måste avläsningarna av gyroskopet korrigeras med en accelerometer (pendel), eftersom på grund av jordens dagliga rotation och gyroskopets avgång uppstår en avvikelse från den verkliga vertikalen. Dessutom kan mekaniska gyroskop använda förskjutningen av dess massacentrum, vilket motsvarar pendelns direkta inverkan på gyroskopet [15] .

Stabiliseringssystem

Dessa system är nödvändiga för att hålla den önskade parametern på en viss konstant nivå. Detta kräver att det erforderliga värdet för den styrda variabeln ställs in. [16]

Stabiliseringssystem är av tre huvudtyper.

  • Kraftstabiliseringssystem (på tvågradersgyroskop).

Ett gyroskop behövs för att stabilisera sig runt varje axel. Stabilisering utförs av ett gyroskop och en avlastningsmotor, först verkar det gyroskopiska momentet, och sedan kopplas avlastningsmotorn in.

  • System för indikator-effektstabilisering (på tvåstegsgyroskop).

Ett gyroskop behövs för att stabilisera sig runt varje axel. Stabilisering utförs endast genom att lasta av motorer, men i början uppstår ett litet gyroskopiskt ögonblick, som kan försummas.

  • Indikatorstabiliseringssystem (på trestegsgyroskop)

För stabilisering kring två axlar behövs ett gyroskop. Stabilisering utförs endast genom avlastning av motorer.

Den gyroskopiska effekten används för att stabilisera flygningen av ostyrd ammunition av hand- och artilleriförsedda vapen genom att ge dem rotation runt den längsgående axeln [17] . Detsamma kan uppnås i viss ammunition med fjäderdräkt inställd i en viss vinkel mot längdaxeln, till exempel i raketer . Styrd ammunition, i synnerhet kryssningsmissiler , kan använda gyroskop.

Nya typer av gyroskop

De ständigt växande kraven på gyroinstruments noggrannhet och prestandaegenskaper har tvingat forskare och ingenjörer i många länder i världen att inte bara förbättra klassiska gyroskop med en roterande rotor, utan också att leta efter fundamentalt nya idéer som har gjort det möjligt att lösa problemet med att skapa känsliga sensorer för att mäta och visa parametrarna för ett föremåls vinkelrörelse.

För närvarande är mer än hundra olika fenomen och fysikaliska principer kända som gör det möjligt att lösa gyroskopiska problem. Tusentals patent för relevanta uppfinningar har utfärdats i USA , EU , Japan , Ryssland .

Eftersom precisionsgyroskop används i styrsystem för strategiska långdistansmissiler klassificerades forskning inom detta område som klassificerad under det kalla kriget.

En lovande riktning är utvecklingen av kvantgyroskop .

Utsikter för utvecklingen av gyroskopisk navigering

Idag har tillräckligt noggranna gyroskopiska system skapats som tillfredsställer ett brett spektrum av konsumenter. Minskningen av medel som tilldelats det militärindustriella komplexet i de ledande världsländernas budgetar har kraftigt ökat intresset för civila tillämpningar av gyroskopisk teknik. Till exempel är användningen av mikromekaniska gyroskop i fordons- eller videokamerastabiliseringssystem utbredd idag .

Enligt förespråkare för navigeringsmetoder som GPS och GLONASS har de anmärkningsvärda framstegen inom högprecisionssatellitnavigering gjort autonoma navigationshjälpmedel onödiga (inom täckningsområdet för ett satellitnavigeringssystem (SNS), dvs. inom planeten). För närvarande överträffar SNS-system gyroskopiska system vad gäller massa, storlek och kostnad. Men lösningen av enhetens vinkelposition i rymden med hjälp av SNS-system (multi-antenn), även om den är möjlig, är mycket svår och har ett antal betydande begränsningar, i motsats till gyroskopiska system.

Ett tredje generationens satellitnavigeringssystem håller för närvarande på att utvecklas . Det kommer att göra det möjligt att bestämma koordinaterna för objekt på jordens yta med en noggrannhet på flera centimeter i differentialläget samtidigt som det är i täckningsområdet för DGPS- korrigeringssignalen . Detta påstås eliminera behovet av att använda kursgyroskop. Till exempel gör installationen av två satellitsignalmottagare på ett flygplans vingar det möjligt att få information om flygplanets rotation runt en vertikal axel.

SNS-system kan dock inte exakt bestämma positionen i stadsmiljöer, med dålig satellitsikt. Liknande problem finns i skogsområden. Dessutom beror passagen av SNS-signaler på processer i atmosfären, hinder och signalreflexer. Autonoma gyroskopiska enheter fungerar var som helst - under jord, under vatten, i rymden.

I flygplan visar sig SNS vara mer exakt än INS i långa sektioner. Men användningen av två SNS-mottagare för att mäta flygplanets lutningsvinklar ger fel på upp till flera grader. Beräkningen av kursen genom att bestämma flygplanets hastighet med hjälp av SNA är inte heller tillräckligt exakt. Därför, i moderna navigationssystem, är den optimala lösningen en kombination av satellit- och gyroskopiska system, kallat ett integrerat (integrerat) INS/SNS-system.

Under de senaste decennierna har den evolutionära utvecklingen av gyroskopisk teknologi närmat sig tröskeln för kvalitativa förändringar. Det är därför uppmärksamheten från specialister inom gyroskopi nu fokuseras på sökandet efter icke-standardiserade tillämpningar av sådana enheter. Helt nya intressanta uppgifter har öppnats: geologisk utforskning, jordbävningsförutsägelse, ultraexakt mätning av positionerna för järnvägar och oljeledningar, medicinsk teknik och många andra.

Användning i hushållsapparater

En betydande minskning av produktionskostnaden för MEMS- sensorer har lett till att de i allt högre grad används i smartphones och spelkonsoler .

Gyroskop har använts i kontroller för spelkonsoler: Sixaxis för Sony PlayStation 3 och Wii MotionPlus för Nintendo Wii och senare. Tillsammans med gyroskopet har de en accelerometer.

Inledningsvis var den enda orienteringssensorn i smartphones en treaxlig MEMS- accelerometer , känslig endast för acceleration. I ett tillstånd av relativ vila gjorde det det möjligt att ungefär uppskatta riktningen för jordens gravitationskraftsvektor ( g) . Sedan 2010 har smartphones dessutom utrustats med ett treaxligt vibrations-MEMS-gyroskop, ett av de första var iPhone 4. Ibland installeras även en magnetometer (elektronisk kompass) för att kompensera för gyroskopens drift. [18] [19]

Gyrobaserade leksaker

De enklaste exemplen på leksaker gjorda på basis av ett gyroskop är jojo , topp (yula) , spinner (överdelar skiljer sig från gyroskop genom att de inte har en enda fast punkt).

Dessutom finns det en sportgyrosimulator .

Ett antal radiostyrda helikoptrar använder ett gyroskop.

Minst tre gyroskop behövs för flygningen av multikoptrar , i synnerhet kvadrokoptrar.

Se även

Anteckningar

  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" ("Beskrivning av en maskin för att förklara jordens rotationslagar runt sin axel och ändra riktning på den senare") Tübinger Blätter für Naturwissenschaften und Arzneikunde , vol. 3, sid 72-83. Online: http://www.ion.org/museum/files/File_1.pdf Arkiverad 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 ett specialfall av rotationsrörelse av massiva kroppar"), Journal de l'École Polytechnique , vol. 9, sid 247-262. Online: http://www.ion.org/museum/files/File_2.pdf Arkiverad 19 juli 2011 på Wayback Machine
  3. ↑ Foto av Bonenberger-gyroskopet: http://www.ion.org/museum/item_view.cfm?cid=5&scid=12&iid=24 Arkiverad 28 september 2007 på Wayback Machine
  4. ↑ Walter R. Johnson (januari 1832) "Beskrivning av en apparat som kallas rotaskopet för att visa flera fenomen och illustrera vissa lagar för roterande rörelse," The American Journal of Science and Art , 1:a serien, vol. 21, nr. 2, sid 265-280. Online: https://books.google.com/books?id=BjwPAAAAYAAJ&pg=PA265&lpg=PR5&dq=Johnson+rotascope&ie=ISO-8859-1&output=html Arkiverad 30 september 2014 på Wayback Machine
  5. ↑ Illustrationer av Walter R. Johnsons gyroskop ("rotascope") förekommer i: Board of Regents, tionde årsrapport från Board of Regents of the Smithsonian Institution…. (Washington, DC: Cornelius Wendell, 1856), sidorna 177-178. Online: https://books.google.com/books?id=fEyT4sTd7ZkC&pg=PA178&dq=Johnson+rotascope&ie=ISO-8859-1&output=html Arkiverad 25 september 2014 på Wayback Machine
  6. ↑ Wagner JF, "The Machine of Bohnenberger," Institute of Navigation. Online: http://www.ion.org/museum/item_view.cfm?cid=5&scid=12&iid=24 Arkiverad 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, sid. 424-427.
  8. ↑ (1) Julius Plücker (september 1853) "Über die Fessel'sche rotationsmachine," Annalen der Physik , vol. 166, nr. 9, sidorna 174-177; (2) Julius Plücker (oktober 1853) "Noch ein wort über die Fessel'sche rotationsmachine," Annalen der Physik , vol. 166, nr. 10, sidorna 348-351; (3) Charles Wheatstone (1864) "On Fessels gyroscope," Proceedings of the Royal Society of London , vol. 7, sidorna 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 daterad 30 september 2014 på Wayback Machine .
  9. ↑ Nukleärt gyroskop Arkiverat 16 januari 2014 på Wayback Machine (Physical Encyclopedic Dictionary); Northrop Grumman demonstrerar ett miniatyrmikro-NMRG-gyroskop Arkiverat 9 november 2013 på Wayback Machine , 2013-10-30; Kärnmagnetresonansgyroskop arkiverade 16 januari 2014 på Wayback Machine , NIST
  10. ↑ Saveliev, 2004 , sid. 190-197.
  11. ↑ 1 2 3 Raspopov, 2009 , sid. 62-64.
  12. ↑ Georges Sagnac . L'ether lumineux demontre par l'effet du vent relatif d'ether dans un interferometre en rotation uniforme Arkiverad 26 maj 2013 på Wayback Machine , Comptes Rendus 157 (1913), S. 708-710
  13. ↑ Landau L. D. , Lifshitz E. M. Fältteori. - 8:e upplagan, stereotypt. — M .: Fizmatlit , 2006. — 534 sid. - (" Teoretisk fysik ", volym II). — ISBN 5-9221-0056-4 .
  14. ↑ Saveliev, 2004 , sid. 255-256.
  15. ↑ Pelpor, 1988 , sid. 170-171.
  16. ↑ A.V. Andryushin, V.R. Sabanin, N.I. Smirnov. Ledning och innovation inom termisk kraftteknik. - M: MPEI, 2011. - S. 15. - 392 sid. - ISBN 978-5-38300539-2 .
  17. ↑ Vnukov V.P. Artilleri. Ed. 2:a, rev. och ytterligare / Kapitel 6. Topp och gyroskop // M .: Statligt militärförlag för Folkets försvarskommissariat i Sovjetunionen , 1938. - 360 s., ill.
  18. ↑ [1] Arkiverad 16 januari 2014 på Wayback Machine [2] Arkiverad 16 januari 2014 på Wayback Machine [3] Arkiverad 10 april 2022 på Wayback Machine
  19. ↑ Första MEMS gyro-smartphone som skickas i juni; det kommer inte att vara den sista Arkiverad 24 september 2015 på Wayback Machine // EETimes, 5/11/2010

Litteratur

  • Borozdin VN  Gyroskopiska instrument och anordningar för styrsystem: Proc. ersättning för universitet. - M . : Mashinostroenie, 1990. - 272 sid. — ISBN 5-217-00359-6 .
  • Gyroskopiska system / Ed. D. S. Pelpora . Klockan 3 - M .: Högre skola, 1986-1988. Del 1: Teori om gyroskop och gyroskopiska stabilisatorer. 1986; Del 2: Gyroskopiska enheter och system. 1988; Del 3: Element av gyroskopiska instrument. 1988
  • Matveev VV, Raspopov V. Ya.  Grunderna för konstruktion av tröghetsnavigeringssystem. 2:a upplagan / Ed. V. Ya Raspopova. - St Petersburg. : Centrala forskningsinstitutet "Elektropribor", 2009. - 280 sid. - ISBN 978-5-900780-73-3 .
  • Merkuriev I. V. , Podalkov V. V.  Dynamik för mikromekaniska och vågiga fasta gyroskop. - M. : Fizmatlit, 2009. - 226 sid. - ISBN 978-5-9221-1125-6 .
  • Pavlovsky M. A.  Theory of gyroscopes: Lärobok för universitet. - Kiev: Vishcha-skolan, 1986. - 303 s.
  • Pelpor D.S.  Gyroskopiska system. Del 2. Gyroskopiska enheter och system. 2:a uppl. - M . : Högre skola, 1988. - 424 sid. - 6000 exemplar.  - ISBN 5-06-001186-0 .
  • Savelyev I.V.  Kurs i allmän fysik. T. 1. Mekanik. - M. : Astrel, 2004. - T. 1. - 336 sid. - 5000 exemplar.  — ISBN 5-17-002963-2 . .
  • Sivukhin DV Allmän kurs i fysik. - 5:e upplagan, stereotypt. - M . : Fizmatlit , 2006. - T. I. Mechanics. — 560 sid. - ISBN 5-9221-0715-1 .
  • Klimov D.M. , Zhuravlev V.F. , Zhbanov Yu.K. Kvarts halvsfärisk resonator (Wave solid state gyroscope). - M. : Kim L.A., 2017. - 194 sid. - ISBN 978-5-9909668-5-7 .

Länkar

  Gå till Wikidata-objektet  Ordböcker och uppslagsverk