Абстрактен жироскопски ефект

Жироскоп (от древногръцки γῦρος „кръг“ и σκοπέω „поглед“) - бързо въртящо се твърдо тяло, основа на едноименно устройство, способно да измерва промяната в ъглите на ориентация на тяло, свързано с него, спрямо инерция координатна система, обикновено базирана на закона за запазване на въртящия момент (ъглов момент).

Преди изобретението на жироскопа човечеството използва различни методи за определяне на посоката в пространството. От древни времена хората са били направлявани визуално от отдалечени обекти, по-специално от Слънцето. Още в древността се появяват първите устройства: отвес и ниво, основано на гравитацията. През Средновековието в Китай е изобретен компас, използващ земния магнетизъм. Астролаби и други устройства, базирани на положението на звездите, са създадени в Европа.

Предимството на жироскопа пред по-старите устройства е, че той работи правилно при трудни условия (лоша видимост, треперене, електромагнитни смущения). Жироскопът обаче бързо спря поради триене.

През втората половина на 19 век се предлага да се използва електрически мотор за ускоряване и поддържане на движението на жироскопа. За първи път на практика жироскопът е използван през 1880-те от инженер Обри за стабилизиране на хода на торпедо. През 20-ти век жироскопите започват да се използват в самолети, ракети и подводници, вместо или във връзка с компас.

2. Класификация

Основните видове жироскопи по броя на степени на свобода:

2-мощност (интегриране, двойно интегриране, диференциране)
3-градусова.

Съществуват два основни вида жироскопи според принципа на действие:

механични жироскопи,
оптични жироскопи.

Според начина на действие жироскопите се разделят на:

сензори за скорост на отклонение,
указателни знаци.

Въпреки това едно и също устройство може да работи в различни режими в зависимост от вида на управлението.

2.1. Механични жироскопи

Сред механичните жироскопи, роторен жироскоп - бързо въртящо се твърдо тяло (ротор), чиято ос на въртене може да промени ориентацията си в пространството. В този случай скоростта на въртене на жироскопа значително надвишава скоростта на въртене на оста на въртенето му. Основното свойство на такъв жироскоп е способността да поддържа постоянна посока на оста на въртене в пространството при липса на излагане на моменти на външни сили.

Това свойство е използвано за първи път от Фуко през 1852 г. за експериментално демонстриране на въртенето на Земята. Благодарение на тази демонстрация жироскопът получи името си от гръцките думи "въртене", "наблюдавам".

2.1.1. Свойства на двуосен ротационен жироскоп

Когато моментът на външната сила действа около ос, перпендикулярна на оста на въртене на ротора, жироскопът започва да се върти около оста на прецесия, която е перпендикулярна на момента на външните сили.

Например, ако оста на жироскопа е разрешена да се движи само в хоризонталната равнина, тогава оста има тенденция да се утвърди по меридиана, докато въртенето на устройството става по същия начин, както въртенето на Земята. Ако оста е позволено да се движи вертикално (в равнината на меридиана), тогава тя има тенденция да се установява успоредно на оста на земята. Именно това забележително свойство на жироскопа определя широкото използване на устройството.

Това свойство е пряко свързано с появата на така наречената сила на Кориолис. Така че, когато е изложен на момент на външна сила, жироскопът първоначално ще се върти точно в посоката на външния момент (нутационен хвърляне). По този начин всяка частица от жироскопа ще се движи с преносима ъглова скорост на въртене поради момента. Но въртящ се жироскоп, в допълнение към това, се върти сам, което означава, че всяка частица ще има относителна скорост. Следователно ще възникне сила на Кориолис, която ще принуди жироскопа да се движи в посоката, перпендикулярна на приложения момент, т.е. да прецесира. Прецесията ще предизвика сила на Кориолис, чийто момент ще компенсира момента на външната сила.

Жироскопският ефект на въртящите се тела е проява на основното свойство на материята - нейната инерция.

Опростено, поведението на жироскопа се описва с уравнението:

където векторите и са съответно моментът на силата, действаща върху жироскопа и неговият ъглов момент, скаларът е неговият момент на инерция, вектори и ъгловата скорост и ъгловото ускорение.

Оттук следва, че моментът на сила, приложена перпендикулярно на оста на въртене на жироскопа, т.е. перпендикулярна, води до движение, перпендикулярно и на двете, и, т.е. Ъгловата скорост на прецесията на жироскопа се определя от нейния ъглов момент и момента на приложената сила:

тоест тя е обратно пропорционална на скоростта на въртене на жироскопа.

2.1.2. Вибрационни жироскопи

Вибрационните жироскопи са устройства, които поддържат вибрациите си в една равнина при завъртане. Този тип жироскоп е много по-опростен и евтин със сравнима точност в сравнение с ротационен жироскоп. В чуждестранната литература се използва и терминът „вибрационни жироскопи на Кориолис“ - тъй като принципът им на действие се основава на ефекта на силата на Кориолис, както при ротационните жироскопи.
Например, вибриращи жироскопи се използват в системата за измерване на наклона на електрически скутер Segway. Системата се състои от пет вибрационни жироскопа, чиито данни се обработват от два микропроцесора.