Гироско́п (от «круг» + «смотрю») — быстро вращающееся симметричное твёрдое тело, ось вращения (ось симметрии) которого может изменять своё направление в пространстве. Простейший пример гироскопа — юла (волчок).
Термин впервые введен Ж. Фуко в своём докладе в 1852 году во Французской академии наук. Доклад был посвящён способам экспериментального обнаружения вращения Земли в инерциальном пространстве. Этим и обусловлено название «гироскоп».
История
До изобретения гироскопа человечество использовало различные методы определения направления в пространстве. Издавна люди ориентировались визуально по удалённым предметам, в частности, по Солнцу. Уже в древности появились первые приборы, основанные на гравитации: отвес и уровень. В Средние века в Китае был изобретён компас, использующий магнетизм Земли. В Древней Греции были созданы астролябия и другие приборы, основанные на положении звёзд. С помощью гироскопа наблюдается явление прецессии. Гироскоп изобрёл Иоанн Боненбергер и опубликовал описание своего изобретения в 1817 годуJohann 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» («Описание машины для объяснения законов вращения Земли вокруг своей оси и изменения направления последней») Tübinger Blätter für Naturwissenschaften und Arzneikunde, vol. 3, pages 72-83. В интернете: http://www.ion.org/museum/files/File_1.pdf . Однако французский математик Пуассон ещё в 1813 году упоминает Боненбергера как изобретателя этого устройстваSimeon-Denis Poisson (1813) «Mémoire sur un cas particulier du mouvement de rotation des corps pesans» («Статья об особом случае вращательного движения массивных тел»), Journal de l'École Polytechnique, vol. 9, pages 247—262. В интернете: http://www.ion.org/museum/files/File_2.pdf . Главной частью гироскопа Боненбергера был вращающийся массивный шар в кардановом подвесеФото гироскопа Боненбергера: http://www.ion.org/museum/item_view.cfm?cid=5&scid=12&iid=24 . В 1832 году американец Уолтер Р. Джонсон придумал гироскоп с вращающимся дискомWalter R. Johnson (January 1832) "Description of an apparatus called the rotascope for exhibiting several phenomena and illustrating certain laws of rotary motion, " The American Journal of Science and Art, 1st series, vol. 21, no. 2, pages 265—280. В интернете: https://books.google.com/books?id=BjwPAAAAYAAJ&pg=PA265&lpg=PR5&dq=Johnson+rotascope&ie=ISO-8859-1&output=html Illustrations of Walter R. Johnson’s gyroscope («rotascope») appear in: Board of Regents, Tenth Annual Report of the Board of Regents of the Smithsonian Institution…. (Washington, D.C.: Cornelius Wendell, 1856), pages 177—178. В интернете: https://books.google.com/books?id=fEyT4sTd7ZkC&pg=PA178&dq=Johnson+rotascope&ie=ISO-8859-1&output=html . Французский учёный Лаплас рекомендовал это устройство в учебных целяхWagner JF, "The Machine of Bohnenberger, " The Institute of Navigation. В интернете: http://www.ion.org/museum/item_view.cfm?cid=5&scid=12&iid=24 . В 1852 году французский учёный Фуко усовершенствовал гироскоп и впервые использовал его как прибор, показывающий изменение направления (в данном случае — Земли), через год после изобретения маятника Фуко, тоже основанного на сохранении вращательного моментаL. Foucault (1852) "Sur les phénomènes d’orientation des corps tournants entraînés par un axe fixe à la surface de la terre, " Comptes rendus hebdomadaires des séances de l’Académie des Sciences (Paris), vol. 35, pages 424—427.. Именно Фуко придумал название «гироскоп». Фуко, как и Боненбергер, использовал карданов подвес. Не позже 1853 года Фессель изобрёл другой вариант подвески гироскопа(1) Julius Plücker (September 1853) "Über die Fessel’sche rotationsmachine, " Annalen der Physik, vol. 166, no. 9, pages 174—177; (2) Julius Plücker (October 1853) "Noch ein wort über die Fessel’sche rotationsmachine, " Annalen der Physik, vol. 166, no. 10, pages 348—351; (3) Charles Wheatstone (1864) "On Fessel’s gyroscope, " Proceedings of the Royal Society of London, vol. 7, pages 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 ..
Преимуществом гироскопа перед более древними приборами являлось то, что он правильно работал в сложных условиях (плохая видимость, тряска, электромагнитные помехи). Однако вращение гироскопа быстро замедлялось из-за трения.
Во второй половине XIX века было предложено использовать электродвигатель для разгона и поддержания вращения гироскопа. Впервые на практике гироскоп был применён в 1880-х годах инженером Обри для стабилизации курса торпеды. В XX веке гироскопы стали использоваться в самолётах, ракетах и подводных лодках вместо компаса или совместно с ним.
Классификация Основные типы гироскопов по количеству степеней свободы: двухстепенные, трехстепенные.
Основные два типа гироскопов по принципу действия: механические гироскопы, оптические гироскопы.
Также проводятся исследования по созданию ядерных гироскопов, использующих ЯМР для отслеживания изменения спина атомных ядер.Ядерный гироскоп (Физический энциклопедический словарь); Northrop Grumman продемонстрировала миниатюрный гироскоп micro-NMRG , 30.10.2013; Nuclear Magnetic Resonance Gyroscopes , NIST
Механические гироскопы Среди механических гироскопов выделяется ро́торный гироско́п — быстро вращающееся твёрдое тело (ротор), ось вращения которого может свободно изменять ориентацию в пространстве. При этом скорость вращения гироскопа значительно превышает скорость поворота оси его вращения. Основное свойство такого гироскопа — способность сохранять в пространстве неизменное направление оси вращения при отсутствии воздействия на него моментов внешних сил и эффективно сопротивляться действию внешних моментов сил. Это свойство в значительной степени определяется величиной угловой скорости собственного вращения гироскопа.
Впервые это свойство использовал Фуко в 1852 г. для экспериментальной демонстрации вращения Земли. Именно благодаря этой демонстрации гироскоп и получил своё название от греческих слов «вращение», «наблюдаю».
Свойства трёхстепенного роторного гироскопа
При воздействии момента внешней силы вокруг оси, перпендикулярной оси вращения ротора, гироскоп начинает поворачиваться вокруг оси прецессии, которая перпендикулярна моменту внешних сил.
Поведение гироскопа в инерциальной системе отсчёта описывается, согласно следствию второго закона Ньютона, уравнением
где векторы и являются, соответственно, моментом силы, действующей на гироскоп, и его моментом импульса.
Изменение вектора момента импульса под действием момента силы возможно не только по величине, но и по направлению. В частности, момент силы , приложенный перпендикулярно оси вращения гироскопа, то есть перпендикулярный , приводит к движению, перпендикулярному как , так и , то есть к явлению прецессии. Угловая скорость прецессии гироскопа определяется его моментом импульса и моментом приложенной силы:
то есть обратно пропорциональна моменту импульса ротора гироскопа или, при неизменном моменте инерции ротора — скорости его вращения.
Одновременно с возникновением прецессии, согласно следствию третьего закона Ньютона, гироскоп начнёт действовать на окружающие его тела моментом реакции, равным по величине и противоположным по направлению моменту , приложенному к гироскопу. Этот момент реакции называется гироскопическим моментом.
То же движение гироскопа можно трактовать иначе, если воспользоваться неинерциальной системой отсчёта, связанной с кожухом ротора, и ввести в ней фиктивную силу инерции — так называемую кориолисову силу. Так, при воздействии момента внешней силы гироскоп поначалу будет вращаться именно в направлении действия внешнего момента (нутационный бросок). Каждая частица гироскопа будет таким образом двигаться с переносной угловой скоростью вращения вследствие действия этого момента. Но ротор гироскопа, помимо этого, и сам вращается, поэтому каждая частица будет иметь относительную скорость. В результате возникает кориолисова сила, которая заставляет гироскоп двигаться в перпендикулярном приложенному моменту направлении, то есть прецессировать.
Вибрационные гироскопы
Вибрационные гироскопы — устройства, сохраняющие направление своих колебаний при повороте основания.
Оптические гироскопы
Делятся на лазерные гироскопы (активные оптические), пассивные оптические гироскопы, волоконно-оптические и интегрально-оптические (ВОГ и ИОГ). Принцип действия основан на эффекте Саньяка, открытом в 1913 годуGeorges Sagnac. L’ether lumineux demontre par l’effet du vent relatif d’ether dans un interferometre en rotation uniforme , Comptes Rendus 157 (1913), S. 708—710. Теоретически он объясняется с помощью СТО. Согласно СТО, скорость света постоянна в любой инерциальной системе отсчёта. В то время как в неинерциальной системе она может отличаться от c. При посылке луча света в направлении вращения прибора и против направления вращения разница во времени прихода лучей (определяемая интерферометром) позволяет найти разницу оптических путей лучей в инерциальной системе отсчёта, и, следовательно, величину углового поворота прибора за время прохождения луча. Величина эффекта прямо пропорциональна угловой скорости вращения интерферометра и площади, охватываемой путём распространения световых волн в интерферометре:
где -разность времён прихода лучей, выпущенных в разных направлениях, — площадь контура, — угловая скорость вращения гироскопа.
Так как величина очень мала, то её прямое измерение с помощью пассивных интерферометров возможно только в волоконно-оптических гироскопах с длиной волокна 500—1000 м. Во вращающемся кольцевом интерферометре лазерного гироскопа можно измерить фазовый сдвиг встречных волн, равный:
где — длина волны.
Применение в технике
Свойства гироскопа используются в приборах — гироскопах, основной частью которых является быстро вращающийся ротор, который имеет несколько степеней свободы (осей возможного вращения).
Чаще всего используются гироскопы, помещённые в карданов подвес. Такие гироскопы имеют 3 степени свободы, то есть он может совершать 3 независимых поворота вокруг осей АА', BB' и CC', пересекающихся в центре подвеса О, который остаётся по отношению к основанию A неподвижным.
Гироскопы, у которых центр масс совпадает с центром подвеса O, называются астатическими, в противном случае — статическими гироскопами.
Для обеспечения вращения ротора гироскопа с высокой скоростью применяются специальные гиромоторы.
Для управления гироскопом и снятия с него информации используются датчики угла и датчики момента.
Гироскопы используются в виде компонентов как в системах навигации (авиагоризонт, гирокомпас, ИНС и т. п.), так и в системах ориентации и стабилизации космических аппаратов. При использовании в гировертикали показания гироскопа должны корректироваться акселерометром (маятником), так как из-за суточного вращения Земли и ухода гироскопа происходит отклонение от истинной вертикали. Кроме того, в механических гироскопах может использоваться смещение его центра масс, которое эквивалентно непосредственному воздействию маятника на гироскоп.
Системы стабилизации Эти системы необходимы для поддержания желаемого параметра на определённом постоянном уровне. Для этого требуется задание требуемого значения регулируемой величины.А. В. Андрюшин, В. Р. Сабанин, Н. И. Смирнов.Управление и инноватика в теплоэнергетике. — М: МЭИ, 2011. — С. 15. — 392 с. — ISBN 978-5-383-00539-2.
Системы стабилизации бывают трёх основных типов.
Система силовой стабилизации (на двухстепенных гироскопах). Для стабилизации вокруг каждой оси нужен один гироскоп. Стабилизация осуществляется гироскопом и двигателем разгрузки, вначале действует гироскопический момент, а потом подключается двигатель разгрузки. Система индикаторно-силовой стабилизации (на двухстепенных гироскопах).