Гироскоп свойства гироскопа применение технике

ГИРОСКОП

статьи

ГИРОСКОП, навигационный прибор, основным элементом которого является быстро вращающийся ротор, закрепленный так, что ось его вращения может поворачиваться. Три степени свободы (оси возможного вращения) ротора гироскопа обеспечиваются двумя рамками карданова подвеса.

Если на такое устройство не действуют внешние возмущения, то ось собственного вращения ротора сохраняет постоянное направление в пространстве.

Если же на него действует момент внешней силы, стремящийся повернуть ось собственного вращения, то она начинает вращаться не вокруг направления момента, а вокруг оси, перпендикулярной ему (прецессия).

В хорошо сбалансированном (астатическом) и достаточно быстро вращающемся гироскопе, установленном на высокосовершенных подшипниках с незначительным трением, момент внешних сил практически отсутствует, так что гироскоп долго сохраняет почти неизменной свою ориентацию в пространстве. Поэтому он может указывать угол поворота основания, на котором закреплен.

Именно так французский физик Ж.Фуко (1819–1868) впервые наглядно продемонстрировал вращение Земли. Если же поворот оси гироскопа ограничить пружиной, то при соответствующей установке его, скажем, на летательном аппарате, выполняющем разворот, гироскоп будет деформировать пружину, пока не уравновесится момент внешней силы.

В этом случае сила сжатия или растяжения пружины пропорциональна угловой скорости движения летательного аппарата. Таков принцип действия авиационного указателя поворота и многих других гироскопических приборов. Поскольку трение в подшипниках очень мало, для поддержания вращения ротора гироскопа не требуется много энергии.

Для приведения его во вращение и для поддержания вращения обычно бывает достаточно маломощного электродвигателя или струи сжатого воздуха.

Применение.

Гироскоп чаще всего применяется как чувствительный элемент указывающих гироскопических приборов и как датчик угла поворота или угловой скорости для устройств автоматического управления. В некоторых случаях, например в гиростабилизаторах, гироскопы используются как генераторы момента силы или энергии.См. также МАХОВИК.

Основные области применения гироскопов – судоходство, авиация и космонавтика (см. ИНЕРЦИАЛЬНАЯ НАВИГАЦИЯ). Почти каждое морское судно дальнего плавания снабжено гирокомпасом для ручного или автоматического управления судном, некоторые оборудованы гиростабилизаторами.

В системах управления огнем корабельной артиллерии много дополнительных гироскопов, обеспечивающих стабильную систему отсчета или измеряющих угловые скорости. Без гироскопов невозможно автоматическое управление торпедами. Самолеты и вертолеты оборудуются гироскопическими приборами, которые дают надежную информацию для систем стабилизации и навигации.

В военной авиации гироскопы применяются также в прицелах воздушной стрельбы и бомбометания.

Гироскопы разного назначения (навигационные, силовые) выпускаются разных типоразмеров в зависимости от условий работы и требуемой точности. В гироскопических приборах диаметр ротора составляет 4–20 см, причем меньшее значение относится к авиационно-космическим приборам. Диаметры же роторов судовых гиростабилизаторов измеряются метрами.

Основные понятия

Гироскопический эффект создается той же самой центробежной силой, которая действует на юлу, вращающуюся, например, на столе.

В точке опоры юлы о стол возникают сила и момент, под действием которых ось вращения юлы отклоняется от вертикали, а центробежная сила вращающейся массы, препятствуя изменению ориентации плоскости вращения, вынуждает юлу вращаться и вокруг вертикали, сохраняя тем самым заданную ориентацию в пространстве.

Таким вращением, называемым прецессией, ротор гироскопа отвечает на приложенный момент силы относительно оси, перпендикулярной оси его собственного вращения. Вклад масс ротора в этот эффект пропорционален квадрату расстояния до оси вращения, поскольку чем больше радиус, тем больше, во-первых, линейное ускорение и, во-вторых, плечо центробежной силы.

Влияние массы и ее распределения в роторе характеризуется его «моментом инерции», т.е. результатом суммирования произведений всех составляющих его масс на квадрат расстояния до оси вращения. Полный же гироскопический эффект вращающегося ротора определяется его «кинетическим моментом», т.е.

произведением угловой скорости (в радианах в секунду) на момент инерции относительно оси собственного вращения ротора.

Кинетический момент – векторная величина, имеющая не только численное значение, но и направление. На рис. 1 кинетический момент представлен стрелкой (длина которой пропорциональна величине момента), направленной вдоль оси вращения в соответствии с «правилом буравчика»: туда, куда подается буравчик, если его поворачивать в направлении вращения ротора.

Прецессия и момент силы тоже характеризуются векторными величинами. Направление вектора угловой скорости прецессии и вектора момента силы связано правилом буравчика с соответствующим направлением вращения.См. также ВЕКТОР.

Гироскоп с тремя степенями свободы

На рис. 1 дана упрощенная кинематическая схема гироскопа с тремя степенями свободы (тремя осями вращения), причем направления вращения на ней показаны изогнутыми стрелками. Кинетический момент представлен жирной прямой стрелкой, направленной вдоль оси собственного вращения ротора.

Момент силы прикладывается нажатием пальца так, что он имеет составляющую, перпендикулярную оси собственного вращения ротора (вторую силу пары создают вертикальные полуоси, закрепленные в оправе, которая связана с основанием).

Поскольку же кинетический момент (связанный с собственным вращением ротора) фиксирован по величине (заданием постоянной угловой скорости посредством, скажем, электродвигателя), это требование законов Ньютона может быть выполнено только за счет поворота оси вращения (в сторону вектора внешнего момента силы), приводящего к увеличению проекции кинетического момента на эту ось. Этот поворот и есть прецессия, о которой говорилось ранее. Скорость прецессии возрастает с увеличением внешнего момента силы и убывает с увеличением кинетического момента ротора.

Гироскопический указатель курса.

На рис. 2 показан пример применения трехстепенного гироскопа в авиационном указателе курса (гирополукомпасе). Вращение ротора в шарикоподшипниках создается и поддерживается струей сжатого воздуха, направленной на рифленую поверхность обода.

Внутренняя и наружная рамки карданова подвеса обеспечивают полную свободу вращения оси собственного вращения ротора. По шкале азимута, прикрепленной к наружной рамке, можно ввести любое значение азимута, выровняв ось собственного вращения ротора с основанием прибора.

Трение в подшипниках столь незначительно, что после того как это значение азимута введено, ось вращения ротора сохраняет заданное положение в пространстве, и, пользуясь стрелкой, скрепленной с основанием, по шкале азимута можно контролировать поворот самолета.

Показания поворота не обнаруживают никаких отклонений, если не считать эффектов дрейфа, связанных с несовершенствами механизма, и не требуют связи с внешними (например, наземными) средствами навигации.

Двухстепенный гироскоп

Во многих гироскопических приборах используется упрощенный, двухстепенный вариант гироскопа, в котором наружная рамка трехстепенного гироскопа устранена, а полуоси внутренней закрепляются непосредственно в стенках корпуса, жестко связанного с движущимся объектом.

Если в таком устройстве единственная рамка ничем не ограничена, то момент внешней силы относительно оси, связанной с корпусом и перпендикулярной оси рамки, заставит ось собственного вращения ротора непрерывно прецессировать в сторону от этого первоначального направления.

На практике такая возможность исключается благодаря тому, что задаются условия, при которых поворот рамки относительно корпуса не выходит за пределы малого угла.

Если прецессия ограничивается только инерционной реакцией рамки с ротором, то угол поворота рамки в любой момент времени определяется проинтегрированным ускоряющим моментом. Поскольку момент инерции рамки обычно сравнительно мал, она слишком быстро реагирует на вынужденное вращение. Имеются два способа устранить этот недостаток.

Датчик угловой скорости.

Прецессию оси вращения ротора в направлении вектора момента силы, направленного вдоль оси, перпендикулярной оси рамки, можно ограничить пружиной и демпфером, воздействующими на ось рамки.

Кинематическая схема двухстепенного гироскопа с противодействующей пружиной представлена на рис. 3. Ось вращающегося ротора закреплена в рамке перпендикулярно оси вращения последней относительно корпуса.

Входной осью гироскопа называется направление, связанное с основанием, перпендикулярное оси рамки и оси собственного вращения ротора при недеформированной пружине.

Момент внешней силы относительно опорной оси вращения ротора, приложенный к основанию в тот момент времени, когда основание не вращается в инерциальном пространстве и, следовательно, ось вращения ротора совпадает со своим опорным направлением, заставляет ось вращения ротора прецессировать в сторону входной оси, так что угол отклонения рамки начинает увеличиваться.

Это эквивалентно приложению момента силы к противодействующей пружине, в чем состоит важная функция ротора, который в ответ на возникновение входного момента силы создает момент силы относительно выходной оси (рис. 3).

При постоянной входной угловой скорости выходной момент силы гироскопа продолжает деформировать пружину, пока создаваемый ею момент силы, воздействующий на рамку, не заставит ось вращения ротора прецессировать вокруг входной оси.

Когда скорость такой прецессии, вызванной моментом, создаваемым пружиной, сравняется с входной угловой скоростью, достигается равновесие и угол рамки перестает изменяться. Таким образом, угол отклонения рамки гироскопа (рис. 3), указываемый стрелкой на шкале, позволяет судить о направлении и угловой скорости поворота движущегося объекта.

Вязкостное демпфирование.

Для гашения выходного момента силы относительно оси двухстепенного гироузла можно использовать вязкостное демпфирование. Кинематическая схема такого устройства представлена на рис. 5; она отличается от схемы на рис. 4 тем, что здесь нет противодействующей пружины, а вязкостный демпфер увеличен.

Когда такое устройство поворачивается с постоянной угловой скоростью вокруг входной оси, выходной момент гироузла заставляет рамку прецессировать вокруг выходной оси.

За вычетом эффектов инерционной реакции (с инерцией рамки связано в основном лишь некоторое запаздывание отклика) этот момент уравновешивается моментом сил вязкостного сопротивления, создаваемым демпфером.

Момент демпфера пропорционален угловой скорости вращения рамки относительно корпуса, так что выходной момент гироузла тоже пропорционален этой угловой скорости.

Поскольку этот выходной момент пропорционален входной угловой скорости (при малых выходных углах рамки), выходной угол рамки увеличивается по мере того, как корпус поворачивается вокруг входной оси. Стрелка, движущаяся по шкале (рис. 5), указывает угол поворота рамки. Показания пропорциональны интегралу угловой скорости вращения относительно входной оси в инерциальном пространстве, и поэтому устройство, схема которого представлена на рис. 5, называется интегрирующим двухстепенным гиродатчиком.

На рис. 6 изображен интегрирующий гиродатчик, ротор (гиромотор) которого заключен в герметично запаянный стакан, плавающий в демпфирующей жидкости. Сигнал угла поворота плавающей рамки относительно корпуса вырабатывается индукционным датчиком угла.

Положение поплавкового гироузла в корпусе задает датчик момента в соответствии с поступающими на него электрическими сигналами. Интегрирующие гиродатчики обычно устанавливают на элементах, снабженных сервоприводом и управляемых выходными сигналами гироскопа.

Источник: https://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/tehnologiya_i_promyshlennost/GIROSKOP.html

Гироскоп. Виды и устройство. Работа и применение. Особенности

Гироскоп – это устройство со свободной осью вращения, способное реагировать на изменение угла ориентирования тела, в котором оно закрепляется. Ключевая особенность прибора в сохранении неизменного положения, что позволяет его использовать как датчик для определения перемещения и поворота объекта, в котором он расположен.

Как устроен и работает гироскоп

В упрощенном варианте изложения принципа работы классического устройства его можно сравнить с обыкновенным детским волчком. Центральный элемент прибора вращается по своей вертикальной оси, при этом он фиксируется в рамке.

Последняя способна поворачиваться только по горизонтальной оси. Она закрепляется в еще одной рамке, которая может оборачиваться вокруг третьей оси.

Такая конструкция прибора позволяют его центральному элементу всегда находиться в вертикальном положении, вне зависимости от того как будет поворачиваться корпус гироскопа.

Конструкцию гироскопа принято разделять на две группы по принципу действия:

Первыми появились механические приборы, от которых и пошло изучение гироскопического эффекта. Однако сфера использования таких устройств ограничена и не позволяет их интегрировать в современную технику, которая нуждается в ориентире для определения положения в пространстве. Вследствие этого появилась оптическая группа гироскопов.

Механические

Данные приборы представляют собой классическую конструкцию. Наиболее ярким представителем данной группы является роторный гироскоп. Он представляет собой быстро вращающееся твердое тело. Его ось вращения может свободно изменять свою ориентацию в пространстве.

Во время работы устройства скорость вращения его центрального элемента значительно превышает обороты по другим осям. Благодаря этому роторный прибор способен сохранять направление оси вращения даже при воздействии на корпус устройства внешних сил.

При попытке переместить прибор наблюдается эффект сопротивления.

Роторные устройства не используются как датчики, а являются стабилизирующим элементом для различных конструкций и механизмов. По данному принципу изготовляется спортивный кистевой гироскопический тренажер. Такой прибор представляет собой шар, внутри которого располагается гироскопический элемент со своей осью вращения.

Для его запуска применяется небольшой шнурок, который наматывается на центральную часть тренажера. При его выдергивании центральное тело начинает вращаться по своей оси, при этом внешняя оболочка тренажер раскручивается кистью по часовой стрелке.

Вращающееся центральное тело начинает противодействовать оборотам корпуса, создавая значительную нагрузку. При этом такое воздействие лишь ускоряет обороты главного элемента, повышая противодействие.

После запуска тренажер сложно удержать в руке, поскольку он постоянно норовит вырваться в разные стороны. Создается впечатление удержания живого объекта.

Оптические

Данная группа устройств представлена несколькими разновидностями. Все они работают на основании физического эффекта Саньяка. Согласно ему, скорость света является постоянной в инерциальной системе отсчетов.

При этом если отправить луч в неинерциальной системе, то его скорость поменяется. Если траектория луча будет проходить через место вращения устройства, то произойдет задержка по времени достижения светом конечной точки.

Получаемая оптическая разница напрямую зависит от величины углового поворота датчика.

Гироскоп широко используется в:

• Авиации.
• Автомобилестроении.
• Мобильных устройствах и прочая подобная техника.
• Системах стабилизации видеокамер.
• Навигации.

Датчики, работающие по принципу гироскопа, являются неотъемлемым оборудованием в авиации.

Два гироскопа устанавливаются на крыльях самолета, благодаря чему можно получать информацию о его повороте вокруг вертикальной оси.

Распространенные сейчас беспилотники имеют три гироскопа, без которых управление летательным аппаратом и его точное балансирование было бы невозможным.

Дело в том, что навигация по спутниковому сигналу в определенных условиях работает хуже или полностью отказывает. В таком случае ориентация в пространстве возможна только с помощью гироскопа. Это в первую очередь наблюдается при нахождении под землей, под водой или в космосе.

Комбинирование спутниковых и гироскопических систем дает возможность добиться максимальной точности определения местоположения движущихся объектов.

Гироскоп является не только полезным, но и интересным устройством, принцип работы которого был внедрен в производство нескольких видов детских игрушек. Примером этого является йо-йо, волчок, спиннер, кистевой гироскопический тренажер.

В данном случае ценится качество устройства удерживаться в определенном положении благодаря вращению по главной оси.

Что касается свойства гироскопа выступать в качестве датчика, то оно применяется при изготовлении вертолетов на радиоуправлении, квадрокоптеров.

Применение гироскопа в мобильных устройствах, планшетах и прочей портативной техники

В мобильной технике гироскоп применяется благодаря его свойству реагировать на изменение углов ориентации тела.

Прибор выступает в качестве датчика, позволяющего определить, что мобильный телефон или планшет был повернут в ту или иную сторону.

Благодаря присутствию гироскопа в мобильном телефоне, в том удалось реализовать функцию управления встряхиванием. Особенно полезным датчик является для реализации управления в играх, в частности гонках. При повороте экрана девайса осуществляется управление автотранспортом без необходимости нажатия на кнопки.

Отличие между гироскопом и акселерометром

Весьма похожим устройством на гироскоп является акселерометр. Последний позволяет определять повороты тела относительно его оси. При этом функционал гороскопа гораздо обширнее.

Он позволяет:

• Определить перемещение в пространстве.
• Указывать стороны света как компас.
• Дает информацию для расчета скорости движения.

Наличие гироскопа позволяет решать те задачи, которые мог бы выполнять акселерометр.

При этом использование акселерометра никогда не позволит сделать все то, что возможно с помощью гироскопа. Несмотря на схожесть датчиков, они часто используются в паре, особенно в мобильной технике, смарт-часах, планшетах и т.д.

Работая вместе, они позволяют значительно быстрее получать различную информацию по перемещению устройств, что увеличивает скорость ее обработки. Это важно для мобильных игр, квадрокоптеров, гироскутеров.

Похожие темы:

Источник: https://electrosam.ru/glavnaja/slabotochnye-seti/oborudovanie/giroskop/

Применение

Свойства гироскопа используются в приборах – гироскопах, основной частью которых является быстро вращающийся ротор, который имеет несколько степеней свободы. 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), так и в системах ориентации и стабилизации космических аппаратов.

При использовании в гировертикали показания гироскопа должны корректироваться маятником, так как из за суточного вращения земли и ухода гироскопа, происходит отклонение от истиной вертикали. Кроме того, в механических гироскопах может использоваться смещение его центра масс, которое эквивалентно непосредственному воздействию маятника на гироскоп.

Рисунок 2.1. – Схема простейшего механического гироскопа в карданном подвесе

Большое применение находят гироскопические приборы для автоматического управления движением самолетов и кораблей. Для поддержания заданного курса корабля служит «авторулевой», а самолета – «автопилот»..В приборе «авторулевой» применен свободный гироскоп с большим собственным моментом импульса и малой силой трения в местах карданова подвеса.

Направление движения корабля задается направлением оси свободного гироскопа. При любых отклонениях корабля от курса, ось гироскопа сохраняет свое прежнее пространственное направление, а карданов подвес поворачивается относительно корпуса корабля.

Поворот рамы карданова подвеса отслеживается при помощи специальных устройств которые выдают команды автоматам на поворот руля и возвращение корабля на заданный курс.

«Автопилот» снабжен двумя гироскопами. У одного из них ось располагают вертикально и в таком положении раскручивают гироскоп. Вертикально расположенная ось гироскопа задает горизонтальную плоскость. Ось второго гироскопа располагают горизонтально, ориентируя ее вдоль оси самолета.

Этот гироскоп постоянно «знает» курс самолета. Оба гироскопа дают соответствующие команды механизмам управления, поддерживающим полет самолета по заданному курсу. В настоящее время автопилотами оборудованы все современные самолеты, предназначенные для длительных полетов.

Гироскоп служит важной составной частью в системах управления космических аппаратов.

Гироскопы применяют так же в системах навигации. Инерциальная навигация относится к такому способу определения местоположения в пространстве, при котором не используются данные каких-либо внешних источников. Все чувствительные элементы находятся непосредственно на борту транспортного средства.

Инерциальные измерители линейных ускорений – акселерометры установлены на так называемой гиростабилизированной платформе. Эта платформа, используя свойства гироскопа – сохранять неизменной ориентацию своей оси в пространстве, обеспечивает строго горизонтальное положение осей чувствительности акселерометров.

Измеренные ускорения дважды интегрируются, и, таким образом, получается информация о приращении местоположения подвижного объекта. Объединенные общей задачей определения координат подвижного объекта, гироскопы и акселерометры образуют инерциальную навигационную систему.

Помимо этой задачи она поставляет информацию об угловой ориентации объекта: углах крена, тангажа и рыскания и о скорости объекта.

Конструктивно инерциальную навигационную систему можно разделить на два класса: платформенные и бескарданные. В первых гиростабилизированная платформа реализована физически в виде рамы трехстепенного карданного подвеса.

В таких системах используются традиционные гироскопы с вращающимся ротором. Эти системы входят в состав бортового навигационного оборудования тяжелых самолетов.

Другой класс – бесплатформенные отличаются тем, что плоскость горизонта в них реализована математически, используя данные гироскопов и акселерометров. В этих системах могут быть использованы лазерные и волоконно-оптические гироскопы. Здесь нет вращающихся частей, а об угловой скорости судят по фазовой задержке лазерного луча пробегающего по замкнутому контуру.

Они существенно конструктивно проще и дешевле платформенных. Гироскоп чаще всего применяется как чувствительный элемент указывающих гироскопических приборов и как датчик угла поворота или угловой скорости для устройств автоматического управления. В некоторых случаях, например в гиростабилизаторах, гироскопы используются как генераторы момента силы или энергии.

Простейшим гироскопом является обыкновенный детский волчок, быстро вращающийся вокруг своей оси. Ось волчка может изменять своё положение в пространстве, поскольку её верхний конец не закреплен. У гироскопов применяемых в технике, свободный поворот оси можно обеспечить, закрепив её в рамках карданова подвеса, позволяющего оси волчка занять любое положение в пространстве.

Такой гироскоп имеет три степени свободы. Свойства гироскопа проявляются при выполнении двух условий: ось вращения гироскопа должна иметь возможность изменять своё направление в пространстве, и угловая скорость вращения гироскопа вокруг своей оси должна быть очень велика по сравнению с той угловой скоростью, которую будет иметь сама ось при изменении своего направления.

Первое свойство гироскопа с тремя степенями свободы состоит в том, что его ось стремится устойчиво сохранять в мировом пространстве приданное ей первоначальное направление.

Фуко для экспериментального доказательства вращения Земли вокруг её оси в 1852 г. Отсюда и само название «гироскоп», что в переводе означает «наблюдать вращение». Второе свойство гироскопа обнаруживается, когда на его ось начинают действовать сила или пара сил, стремящиеся привести ось в движение.

Под действием силы конец оси гироскопа будет отклоняться в направлении, перпендикулярном к этой силе; в результате гироскоп вместе с рамкой начнёт вращаться вокруг оси, притом не ускоренно, а с постоянной угловой скоростью.

Это вращение называется прецессией; оно происходит тем медленнее, чем быстрее вращается вокруг своей оси сам гироскоп. Если в какой-то момент времени действие силы прекратится, то одновременно прекратится прецессия и ось мгновенно остановится, т.е. прецессионное движение гироскопа безынерционно.

Наряду с прецессией ось гироскопа при действии на неё силы может ещё совершать нутацию – небольшие, но быстрые, обычно незаметные на глаз, колебания оси около её среднего направления. Размахи этих колебаний у быстро вращающегося гироскопа очень малы и из-за наличия сопротивления и быстро затухают. Прецессионное движение можно наблюдать и у детского волчка.

Если ось такого волчка поставить под углом к вертикали и отпустить, то она под действием силы тяжести будет отклоняться в перпендикулярном направлении, и начинает прецессировать вокруг вертикали.

Прецессия волчка также сопровождается незаметными на глаз нутационными колебаниями, быстро затухающими из-за сопротивления воздуха. Под действием трения о воздух собственное вращение волчка постепенно замедляется, а скорость прецессии возрастает.

Когда угловая скорость вращения волчка становится меньше определенной величины, он теряет устойчивость и падает.

У медленно вращающегося волчка нутационные колебания могут быть довольно заметными и, слагаясь с прецессией, изменять картину движения оси волчка: верхний конец оси будет описывать волнообразную или петлеобразную кривую.

Рисунок 2.2. – Волчок

Page 3

Системы стабилизации бывают трех основных типов:

1. Система силовой стабилизации (на двухстепенных гироскопах).

Для стабилизации вокруг каждой оси нужен один гироскоп. Стабилизация осуществляется гироскопом и двигателем разгрузки, в начале действует гироскопический момент, а потом подключается двигатель разгрузки.

2. Система индикаторно-силовой стабилизации (на двухстепенных гироскопах).

Для стабилизации вокруг каждой оси нужен один гироскоп. Стабилизация осуществляется только двигателями разгрузки, но в начале появляется небольшой гироскопический момент, которым можно пренебречь.

3. Система индикаторной стабилизации (на трехстепенных гироскопах)

Для стабилизации вокруг двух осей нужен один гироскоп. Стабилизация осуществляется только двигателями разгрузки.

Новые типы гироскопов

Постоянно растущие требования к точностным и эксплуатационным характеристикам гиро-приборов заставили ученых и инженеров многих стран мира не только усовершенствовать классические гироскопы с вращающимся ротором, но и искать принципиально новые идеи, позволившие решить проблему создания чувствительных датчиков для измерения и отображения параметров углового движения объекта.

В настоящее время известно более ста различных явлений и физических принципов, которые позволяют решать гироскопические задачи.

В США, ЕС, Японии, Украине и России выданы тысячи патентов и авторских свидетельств на соответствующие открытия и изобретения.

Рисунок 2.3. – Кольцевой лазерный гироскоп

Перспективы развития гироскопического приборостроения

В настоящее время разрабатывается система навигационных спутников третьего поколения.

Она позволит определять координаты объектов на поверхности Земли с точностью до единиц сантиметров в дифференциальном режиме, при нахождении в зоне покрытия корректирующего сигнала DGPS.

При этом якобы отпадает необходимость в использовании курсовых гироскопов. Например, установка на крыльях самолета двух приёмников спутниковых сигналов, позволяет получить информацию о повороте самолёта вокруг вертикальной оси.

Однако системы спутниковой навигационной системы оказываются неспособны точно определять положение в городских условиях, при плохой видимости спутников. Подобные проблемы обнаруживаются и в лесистой местности.

Кроме того прохождение сигналов навигационной системы зависит от процессов в атмосфере, препятствий и переотражений сигналов. Автономные же гироскопические приборы работают в любом месте – под землёй, под водой, в космосе.

В самолётах спутниковая навигационная система оказывается точнее инерциальную навигационную систему на длинных участках. Но использование двух спутниковых навигационных – приёмников для измерения углов наклона самолета даёт погрешности до нескольких градусов.

Подсчёт курса путём определения скорости самолёта с помощью этой системы также не является достаточно точным. Поэтому, в современных навигационных системах оптимальным решением является комбинация спутниковых и гироскопических систем, называемая интегрированной системой.

Именно поэтому внимание специалистов в области гироскопии сейчас сосредоточилось на поиске нестандартных применений таких приборов.

Открылись совершенно новые интересные задачи: геологоразведка, предсказание землетрясений, сверхточное измерение положений железнодорожных путей и нефтепроводов, медицинская техника и многие другие.

Page 4

Почти каждое морское судно дальнего плавания снабжено гирокомпасом для ручного или автоматического управления судном, некоторые оборудованы гиростабилизаторами.

В системах управления огнем корабельной артиллерии много дополнительных гироскопов, обеспечивающих стабильную систему отсчета или измеряющих угловые скорости. Без гироскопов невозможно автоматическое управление торпедами.

Самолеты и вертолеты оборудуются гироскопическими приборами, которые дают надежную информацию для систем стабилизации и навигации. К таким приборам относятся авиагоризонт, гировертикаль, гироскопический указатель крена и поворота. Гироскопы могут быть как указывающими приборами, так и датчиками автопилота.

На многих самолетах предусматриваются гиростабилизированные магнитные компасы и другое оборудование – навигационные визиры, фотоаппараты с гироскопом, гиросекстанты. В военной авиации гироскопы применяются также в прицелах воздушной стрельбы и бомбометания.

Гироскопы разного назначения (навигационные, силовые) выпускаются разных типоразмеров в зависимости от условий работы и требуемой точности. В гироскопических приборах диаметр ротора составляет 4-20 (см), причем меньшее значение относится к авиационно-космическим приборам. Диаметры же роторов судовых гиростабилизаторов измеряются метрами.

1. Бороздин В.Н. Гироскопические приборы и устройства систем управления: учеб. пособие /В.Н. Бороздин.-Москва, 1990. -480 с.

2. Меркурьев И.В. /Динамика микромеханического и волнового твердотельного гироскопов./ И.В. Меркурьев; Подалков В.В. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2009. – 228 с.

4. Павловский М.А. Теория гироскопов: учебник для ВУЗов/М.А. Павловский. – Киев, 1986.-78 с.

5. Сивухин Д.В. Общий курс физики./В.Д. Сивухин. – М.: Физматлит, 2006. – 560 с.

6. В.В. Матвеев Основы построение бесплатформенных инерциальных навигационных систем. / В.В. Матвеев., В.Я. Распопова. – Москва 2009. – 280 с.

7. Савельев И.В. Курс общей физики: Механика./И.В. Савельев. – М.: Астрель, 2004. – 336 с.

8. Пельпор Д.С. Гироскопические системы: Гироскопические приборы и системы. – 2-е изд./Д.С. Пельпор. – М.: Высшая школа, 1988. – 424 с.

Источник: https://studbooks.net/2083164/matematika_himiya_fizika/primenenie

Гироскопы

Физика > Гироскопы

Читайте, что такое гироскоп и принцип работы. Изучите вращательный момент, правило правой руки, универсальный шарнир, как выглядит прецессия гироскопа.

Гироскоп – вращающееся колесо или диск, где ось свободна для любой ориентации.

Задача обучения

• Сравните концепцию вращающегося колеса с гироскопом.

Основные пункты

• Вращательный момент расположен перпендикулярно плоскости, созданной r и F. Сожмите пальцы правой руки в направлении F и ваш большой укажет на нужное направление.
• Получается, что сторона вращательного момента сходится с угловым.
• Гироскоп прецессирует вокруг вертикальной оси, потому что вращательный момент к L установлен всегда горизонтально и перпендикулярно. Если гироскоп не вращается, то наделяется угловым моментом в направлении вращательного и совершает обороты вокруг горизонтальной оси.

Термины

• Вращательный момент – вращательный эффект силы, измеряемый в ньютонах на метр.
• Правило правой руки – направление для угловой скорости ω и момента L, на который указывает большой палец правой руки, когда вы зажимаете пальцы в направлении вращения.
• Универсальный шарнир – устройство для приостановки чего-либо (например, корабельного компаса, чтобы он оставался на уровне).

Гироскоп – устройство для измерения или поддержания ориентации, основывающееся на принципах углового момента. Это вращающееся колесо или диск, чья ось выступает свободной для любой ориентации.

Она практически фиксирована, потому что установка в универсальном шарнире сводит внешний вращательный момент к минимуму.

Как это работает?

Давайте рассмотрим принцип работы гироскопа. Вращательный момент: измеряет угловой момент по формуле τ = ΔL/Δt.

Мы видим, что направление ΔL сходится с направленностью создающего его вращательного момента. Направление можно вывести, воспользовавшись правилом правой руки: пальцы ладони зажимаются в сторону вращения или силы, а большой палец показывает на угловой момент или скорость.

В (а) вращательный момент расположен перпендикулярно плоскости, созданной r и F (сюда указывает ваш большой палец, если вы скручиваете пальцы в направлении F). На (b) видно, что направление вращательного и углового моментов совпадает

Вращающееся колесо: изучите велосипедное колесо и спицы. При вращении угловой момент направлен к левой стороне девушки (на рисунке). Допустим, что мы повторяем движение.

Она ожидает, что колесо будет вращаться в ту же сторону, на которую она влияет силой. Но все совсем наоборот.

Теперь направление углового момента больше склоняется к человеку, чем раньше. Так что ось колеса смещается перпендикулярно приложенной силе, а не в ожидаемом направлении.

На рисунке (a) девушка поднимает колесо правой рукой и толкает левой. Это создает вращательный момент прямо к ней. Он приводит к изменению углового момента ΔL в том же направлении. На (b) видна векторная диаграмма, изображающая добавление ΔL и L, создающих новый момент движения, указывающий больше на девушку. Колесо движется к ней, и выступает перпендикулярным силам, которые она применила

Гироскоп: точно также можно объяснить поведение гироскопа. В момент вращения на нем активируются две силы. Вращательный момент выступает перпендикулярным угловому, поэтому второй меняет направление, но не величину.

Устройство прецессирует (прецессия гироскопа) вокруг вертикальной оси, потому что вращательный момент всегда горизонтален и перпендикулярен L.

Если на гироскопе не наблюдается вращения, то он получает угловой момент в направлении вращательного (L = ΔL) и начинает совершать обороты вокруг горизонтальной оси.

В (а) вы видите, что силами на вращающемся гироскопе выступают его вес и опорная сила от стойки. Они создают горизонтальный вращательный момент, который вносит изменения в угловой (ΔL). На (b) ΔL и L добавляют для формирования нового момента импульса с одной величиной, но в ином направлении. Поэтому гироскоп прецессирует в указанном направлении, избавляясь от падения

Применение

Гироскопы выступают в качестве датчиков вращения. Поэтому их используют в инерциальных системах навигации, где не срабатывают магнитные компасы (как в космическом телескопе Хаббл) или не отвечают точности. Также они необходимы для стабилизации летательных аппаратов, вроде радиоуправляемых вертолетов или беспилотных.

(2 3,00 из 5)

Источник: https://v-kosmose.com/fizika/giroskopyi/

Гироскоп и его применение

В 1852 году французский физик Леон Фуко демонстрирует созданный им прибор, позволяющий обнаружить вращение Земли. Гироскоп – так назвал он этот прибор. По гречески Гирос – вращение, Скопео – вижу, наблюдаю. В обзоре вы узнаете что такое гироскопы и их применение.

Гироскоп Фуко представляет собой вращающийся ротор, подвешенный так, что его ось может поворачиваться в любом направлении вокруг некоторой неподвижной точки. Современное исполнение прибора получило название – гироскоп в кардановом подвесе. Он выполнен из двух рамок: наружной, внутренней, и ротора.

Гироскоп Фуко

Оси вращения рамок и ротора в гироскопе Фуко пересекаются в точке «О» — центре подвеса, совпадающей с центрами масс этих тел.

Если трение в подшипниках достаточно мало, то прибор приобретает замечательные свойства.

Как бы ни поворачивалось его основание, ось ротора сохраняет неизменное направление в инерциальном пространстве. На этом свойстве гироскопа и был основан опыт Фуко.

Ось вращения гироскопа

Наблюдая за гироскопом, установленным на поверхности Земли, мы обнаружим, что ось ротора, сохраняя неизменным направление в инерциальном пространстве, изменяет свою ориентацию относительно предметов, расположенных на вращающейся Земле.

На использовании этого и других специфических свойств вращающегося ротора основано действие многих приборов, нашедших широкое применение на самолетах, морских судах, в ракетах. Эти приборы получили название гироскопических. А сам ротор стали называть гироскопом.

Применяют не только карданов подвес, но и другие способы подвешивания ротора. Таковы, например, шаровой гироскоп на аэродинамическом подвесе. Здесь ротор плавает на воздушной подушке, и гироскоп, подвешенный в электромагнитном поле.

шаровой гироскопшаровой гироскоп

Гироскопы можно встретить не только в приборах. Волчок – это простейший гироскоп. Он сложным образом вращается вокруг своей точки опоры. Гироскопические свойства мы обнаруживаем и в роторе многотонной турбины судна, и во вращающихся винтах самолета и вертолета.

Некоторые особенности вращения Земли, о которых мы расскажем далее, также объясняются гироскопическими свойствами.

Кинетический момент

Гироскопический момент Н относительно неподвижной точки О, возникающий при вращении его вокруг полярной оси (ее кратко называют осью гироскопа), направлен вдоль этой оси, называется собственным кинетическим моментом гироскопа. Он равен произведению полярного момента инерции гироскопа на угловую скорость.

Кинетический момент

Кинетический момент гироскопа Ке при вращении его вокруг любой экваториальной оси с угловой скоростью ωе направлен вдоль этой оси и равен произведению экваториального момента инерции Iе и угловой скорости ωе.Формула кинетического момента

При вращении гироскопа одновременно вокруг полярной и экваториальной осей кинетический момент его складывается из собственного момента Н и экваториальной составляющей Ке.

Формула кинетического моментаПолярная и экваториальная ось

Гироскопы и их применение в технике, скорость собственного вращения достигает десятков тысяч оборотов в минуту, и обычно больше экваториальной в сотни тысяч раз.

скорость собственного вращения

А моменты инерции относительно этих осей – величины одного порядка.

моменты инерции

Вследствие этого длина вектора Н во много раз превышает длину вектора Ке, и суммарный момент мало отличается от вектора Н.

Итак, кинетический момент быстро вращающегося гироскопа можно с большой степенью точности принять равным его собственному моменту, и следовательно, направленным всегда вдоль его полярной оси.

кинетический момент быстро вращающегося гироскопа

Приближенную теорию гироскопа, основанную на этом допущении, принято называть прецессионной. При рассмотрении гироскопа в кардановом подвесе в приближенной теории пренебрегают кинетическим моментом рамы. Вследствие того, что их угловые скорости, а следовательно и кинетические моменты, пренебрежимо малы по сравнению с собственным моментом.

Правило прецессии

Силы, приложенные к гироскопу, сообщают его оси движение, скорость и направление которого можно легко определить с помощью теоремы Резаля: скорость конца вектора Н всегда равна моменту внешних сил М, приложенных к гироскопу.

Правило прецессии

Предположим теперь, что к гироскопу относительно какой-либо его экваториальной оси приложен момент Ме. Это вызывает вращение вектора Н, а следовательно, и полярной оси с угловой скоростью ω.

вращение вектора

Вращение оси прибора при действии момента внешних сил называют прецессией. Правило прецессии: направление прецессии всегда таково, что вектор Н по кратчайшему пути совмещается с вектором Ме. Угловая скорость прецессии равна отношению экваториальной составляющей момента внешних сил Ме к собственному моменту Н.

Угловая скорость прецессии

Коротко правило прецессии можно выразить векторной формулой:

правила прецессииправила прецессии

Читайте: Серверы Edge Power R730 210-ACXU

Из правила прецессии следует очень важный вывод: если момент внешних сил относительно неподвижной точки равен нулю, то ось гироскопа остается неподвижной.

Наблюдая за поведением гироскопа в кардановом подвесе, убедимся, что оно происходит в согласии с правилом прецессии.

Момент, стремящийся повернуть гироскоп

Источник: https://vx-5.ru/giroskop-i-ego-primenenie/