Gyroskooppi ( muista kreikan sanoista γῦρος "ympyrä" + σκοπέω "katsoin") on laite, joka pystyy reagoimaan sen rungon suuntakulmien muutoksiin , johon se on asennettu suhteessa inertiaaliseen vertailukehykseen . Yksinkertaisin esimerkki gyroskoopista on pyörivä kärki .
J. Foucault esitteli termin ensimmäisen kerran raportissaan vuonna 1852 Ranskan tiedeakatemiassa . Raportti oli omistettu menetelmille, joilla maapallon pyörimisen kokeellisesti havaitaan inertiavaruudessa . Tämä on syy nimelle "gyroskooppi".
Ennen gyroskoopin keksimistä ihmiskunta käytti erilaisia menetelmiä suunnan määrittämiseen avaruudessa. Muinaisista ajoista lähtien ihmisiä on ohjannut visuaalisesti kaukana olevat kohteet, erityisesti aurinko . Jo antiikissa ilmestyivät ensimmäiset painovoimaan perustuvat laitteet: luoti ja vaaka . Keskiajalla kompassi keksittiin Kiinassa käyttämällä maan magnetismia. Muinaisessa Kreikassa luotiin astrolabi ja muut tähtien sijaintiin perustuvat instrumentit.
Gyroskoopin keksi John Bonenberger , ja se julkaisi kuvauksen keksinnöstään vuonna 1817 [1] . Kuitenkin ranskalainen matemaatikko Poisson jo vuonna 1813 mainitsee Bonenbergerin tämän laitteen keksijänä [2] . Bonenberger-gyroskoopin pääosa oli pyörivä massiivinen pallo kardaaniripustuksessa [ 3] . Vuonna 1832 amerikkalainen Walter R. Johnson keksi pyörivän levygyroskoopin [4] [5] . Ranskalainen tiedemies Laplace suositteli tätä laitetta koulutustarkoituksiin [6] . Vuonna 1852 ranskalainen tiedemies Foucault paransi gyroskooppia ja käytti sitä ensimmäistä kertaa suunnanmuutoksen osoittavana laitteena (tässä tapauksessa maapallon), vuosi Foucault-heilurin keksimisen jälkeen , joka myös perustui heilurin säilymiseen. pyörimismomentti [7] . Foucault loi nimen "gyroskooppi". Foucault käytti Bonenbergerin tapaan gimbaaleja. Viimeistään vuonna 1853 Fessel keksi toisen version gyroskoopin jousituksesta [8] .
Gyroskoopin etuna vanhoihin laitteisiin verrattuna oli, että se toimi oikein vaikeissa olosuhteissa (huono näkyvyys, tärinä, sähkömagneettiset häiriöt). Gyroskoopin pyöriminen kuitenkin hidastui nopeasti kitkan vuoksi.
1800-luvun jälkipuoliskolla ehdotettiin sähkömoottorin käyttöä gyroskoopin pyörimisen nopeuttamiseksi ja ylläpitämiseksi. Insinööri Aubrey käytti gyroskooppia ensimmäistä kertaa käytännössä 1880-luvulla vakauttamaan torpedon kulkua . 1900-luvulla gyroskooppeja alettiin käyttää lentokoneissa, raketteissa ja sukellusveneissä kompassin sijaan tai sen yhteydessä.
Gyroskooppien päätyypit vapausasteiden lukumäärän mukaan :
Kaksi tärkeintä gyroskooppityyppiä toimintaperiaatteen mukaan:
Tutkimukset ovat myös käynnissä ydingyroskooppien luomiseksi, jotka käyttävät NMR : ää atomiytimien pyörimismuutosten seuraamiseen . [9]
Mekaanisista gyroskoopeista erottuu pyörivä gyroskooppi - nopeasti pyörivä kiinteä kappale ( roottori ), jonka pyörimisakseli voi vapaasti muuttaa suuntausta avaruudessa. Tässä tapauksessa gyroskoopin pyörimisnopeus ylittää merkittävästi sen pyörimisakselin pyörimisnopeuden. Tällaisen gyroskoopin pääominaisuus on kyky ylläpitää pyörimisakselin vakiosuunta avaruudessa ilman siihen vaikuttavia ulkoisia voimamomentteja ja vastustaa tehokkaasti ulkoisten voimamomenttien toimintaa. Tämän ominaisuuden määrää suurelta osin gyroskoopin oman pyörimisen kulmanopeuden arvo.
Foucault käytti tätä ominaisuutta ensimmäisen kerran vuonna 1852 osoittaakseen kokeellisesti Maan pyörimisen . Tämän esittelyn ansiosta gyroskooppi sai nimensä kreikan sanoista "kierto", "havainnoin".
Kolmen asteen pyörivän gyroskoopin ominaisuudetKun gyroskooppi altistuu ulkoisen voiman momentille roottorin pyörimisakseliin nähden kohtisuorassa olevan akselin ympärillä, se alkaa pyöriä precessioakselin ympäri , joka on kohtisuorassa ulkoisten voimien momenttiin nähden.
Gyroskoopin käyttäytyminen inertiaalisessa vertailukehyksessä kuvataan Newtonin toisen lain seurauksen mukaan yhtälöllä
missä vektorit ja ovat gyroskooppiin vaikuttavan voiman momentti ja sen kulmamomentti .
Kulmamomenttivektorin muutos voimamomentin vaikutuksesta on mahdollista paitsi suuruuden, myös suunnan suhteen. Erityisesti gyroskoopin pyörimisakseliin nähden kohtisuorassa, toisin sanoen kohtisuorassa suhteessa , kohdistettu voimamomentti johtaa kohtisuoraan sekä sekä , että , eli precessioilmiöön nähden . Gyroskoopin precession kulmanopeus määräytyy sen kulmamomentin ja kohdistetun voiman momentin perusteella [10] :
eli se on kääntäen verrannollinen gyroskoopin roottorin liikemäärään tai roottorin vakioinertiamomentin ollessa sen pyörimisnopeuteen.
Samanaikaisesti precession alkamisen kanssa Newtonin kolmannen lain mukaan gyroskooppi alkaa vaikuttaa sitä ympäröiviin kappaleisiin reaktiomomentilla, joka on suuruudeltaan yhtä suuri ja vastakkainen kuin gyroskooppiin kohdistettu momentti. Tätä reaktiohetkeä kutsutaan gyroskooppiseksi momentiksi.
Gyroskoopin sama liike voidaan tulkita eri tavalla, jos käytämme roottorin koteloon liittyvää ei-inertiaa referenssijärjestelmää ja tuomme siihen kuvitteellisen hitausvoiman - ns. Coriolis-voiman . Siten ulkoisen voimamomentin vaikutuksesta gyroskooppi pyörii aluksi tarkasti ulkoisen momentin toiminnan suuntaan ( nutaatioheitto ). Jokainen gyroskoopin hiukkanen liikkuu siten kannettavalla pyörimiskulmanopeudella tämän hetken vaikutuksesta. Mutta gyroskoopin roottori pyörii lisäksi itse, joten jokaisella hiukkasella on suhteellinen nopeus. Tämän seurauksena syntyy Coriolis-voima, joka saa gyroskoopin liikkumaan kohdistettuun momenttiin nähden eli precessoimaan.
Värähtelevät gyroskoopitVärähtelevät gyroskoopit ovat laitteita, jotka säilyttävät värähtelynsä suunnan, kun alustaa käännetään.
Ne jaetaan lasergyroskooppeihin (aktiivinen optinen), passiivisiin optisiin gyroskooppeihin, kuituoptisiin ja integroituihin optisiin (FOGi IOG). Toimintaperiaate perustuu vuonna 1913 löydettyyn Sagnac-ilmiöön [11] [12] . Teoriassa se selitetään SRT :n avulla . SRT:n mukaan valon nopeus on vakio missä tahansa inertiaalisessa vertailukehyksessä [13] . Ei - inertiaalisessa järjestelmässä se voi poiketa c:stä [14] . Lähetettäessä valonsäde laitteen pyörimissuuntaan ja pyörimissuuntaa vastaan, säteiden saapumisajan ero ( interferometrin määrittämä ) mahdollistaa säteiden optisten reittien eron löytämisen. inertiavertailukehyksessä ja siten laitteen kulmakierron määrä säteen kulun aikana. Vaikutuksen suuruus on suoraan verrannollinen interferometrin pyörimiskulmanopeuteen ja interferometrin valoaaltojen etenemisalueeseen [11] :
missä on ero eri suuntiin lähtevien säteiden saapumisajoissa, on ääriviivapinta-ala, on gyroskoopin kulmanopeus.
Koska arvo on hyvin pieni, sen suora mittaus passiivisilla interferometreillä on mahdollista vain kuituoptisissa gyroskoopeissa, joiden kuidun pituus on 500–1000 m. Lasergyroskoopin pyörivässä rengasinterferometrissä on mahdollista mitata vaihesiirtoa. vastaetenevät aallot, yhtä kuin [11] :
missä on aallonpituus.
Gyroskoopin ominaisuuksia käytetään laitteissa - gyroskoopeissa, joiden pääosa on nopeasti pyörivä roottori , jolla on useita vapausasteita (mahdolliset pyörimisakselit).
Useimmiten käytetään gyroskooppeja, jotka on sijoitettu gimbal-jousitukseen . Tällaisilla gyroskoopeilla on 3 vapausastetta, eli ne voivat tehdä 3 itsenäistä kiertoa akselien AA' , BB' ja CC' ympäri, jotka leikkaavat jousituksen O keskipisteessä , joka pysyy paikallaan suhteessa kantaan A.
Gyroskooppeja, joiden massakeskipiste on sama kuin ripustuskeskuksen O , kutsutaan astaattisiksi, muuten niitä kutsutaan staattisiksi gyroskoopeiksi.
Jotta varmistetaan gyroskoopin roottorin pyöriminen suurella nopeudella, käytetään erityisiä gyromoottoreita .
Gyroskoopin ohjaamiseen ja siitä tiedon vastaanottamiseen käytetään kulma- ja momenttiantureita .
Gyroskooppeja käytetään komponentteina sekä navigointijärjestelmissä ( asentokulma , gyrokompassi , INS jne.) että avaruusalusten suunta- ja stabilointijärjestelmissä. Pystygyroskoopissa käytettäessä gyroskoopin lukemat on korjattava kiihtyvyysmittarilla (heiluri), koska maan päivittäisen pyörimisen ja gyroskoopin poistumisen vuoksi tapahtuu poikkeama todellisesta pystysuorasta. Lisäksi mekaanisissa gyroskoopeissa voidaan käyttää massakeskipisteensä siirtymää, joka vastaa heilurin suoraa vaikutusta gyroskooppiin [15] .
Nämä järjestelmät ovat välttämättömiä halutun parametrin ylläpitämiseksi tietyllä vakiotasolla. Tämä vaatii säädettävän muuttujan vaaditun arvon asettamisen. [16]
Vakautusjärjestelmiä on kolmea päätyyppiä.
Jokaisen akselin ympärille tarvitaan yksi gyroskooppi. Stabilointi suoritetaan gyroskoopilla ja purkumoottorilla, ensin vaikuttaa gyroskooppinen momentti ja sitten kytketään purkumoottori.
Jokaisen akselin ympärille tarvitaan yksi gyroskooppi. Stabilointi tapahtuu vain tyhjentämällä moottoreita, mutta alussa ilmenee pieni gyroskooppinen momentti, joka voidaan jättää huomiotta.
Kahden akselin ympärille stabilointiin tarvitaan yksi gyroskooppi. Stabilointi suoritetaan vain tyhjentämällä moottoreita.
Gyroskooppista vaikutusta käytetään stabiloimaan käsi- ja tykistökiväärin ohjaamattomien ammusten lentoa antamalla niille kiertoa pituusakselin ympäri [17] . Sama voidaan saavuttaa joissakin ammuksissa, joiden höyhenpeite on asetettu tiettyyn kulmaan pituusakseliin nähden, esimerkiksi raketteissa . Ohjatut ammukset, erityisesti risteilyohjukset , voivat käyttää gyroskooppeja.
Yhä kasvavat gyroinstrumenttien tarkkuutta ja suorituskykyä koskevat vaatimukset ovat pakottaneet tutkijat ja insinöörit monissa maailman maissa paitsi parantamaan pyörivällä roottorilla varustettuja klassisia gyroskooppeja, myös etsimään täysin uusia ideoita, jotka ovat mahdollistaneet ratkaista herkkien antureiden luomisongelma kohteen kulmaliikkeen parametrien mittaamiseksi ja näyttämiseksi.
Tällä hetkellä tunnetaan yli sata erilaista ilmiötä ja fysikaalista periaatetta, jotka mahdollistavat gyroskooppisten ongelmien ratkaisemisen. Tuhansia patentteja asiaan liittyville keksinnöille on myönnetty Yhdysvalloissa , EU :ssa , Japanissa ja Venäjällä .
Koska tarkkuusgyroskooppeja käytetään pitkän kantaman strategisten ohjusten ohjausjärjestelmissä, tämän alueen tutkimus luokiteltiin kylmän sodan aikana luokitelluksi.
Lupaava suunta on kvanttigyroskooppien kehittäminen .
Nykyään on luotu riittävän tarkkoja gyroskooppisia järjestelmiä, jotka tyydyttävät monenlaisia kuluttajia. Sotilas-teolliseen kompleksiin osoitettujen varojen vähentäminen maailman johtavien maiden budjeteissa on lisännyt jyrkästi kiinnostusta gyroskooppisen tekniikan siviilisovelluksiin. Esimerkiksi mikromekaanisten gyroskooppien käyttö ajoneuvojen tai videokameroiden stabilointijärjestelmissä on nykyään yleistä .
GPS :n ja GLONASSin kaltaisten navigointimenetelmien kannattajien mukaan huipputarkkuuden satelliittinavigoinnin huomattava edistys on tehnyt autonomisista navigointiapuvälineistä tarpeettomiksi (satelliittinavigointijärjestelmän (SNS) peittoalueella, eli planeetan sisällä). Tällä hetkellä SNS-järjestelmät ohittavat gyroskooppiset järjestelmät massan, koon ja kustannusten suhteen. Laitteen kulma-asennon ratkaiseminen avaruudessa SNS-järjestelmillä (moniantenni), vaikka se on mahdollista, on kuitenkin erittäin vaikeaa ja sillä on useita merkittäviä rajoituksia, toisin kuin gyroskooppisissa järjestelmissä.
Kolmannen sukupolven satelliittinavigointijärjestelmää kehitetään parhaillaan . Sen avulla voidaan määrittää maan pinnalla olevien kohteiden koordinaatit useiden senttimetrien tarkkuudella differentiaalitilassa ollessaan DGPS -korjaussignaalin peittoalueella . Tämän väitetään poistavan suuntagyroskooppien käytön. Esimerkiksi kahden satelliittisignaalivastaanottimen asentaminen lentokoneen siipiin mahdollistaa tiedon saamisen lentokoneen pyörimisestä pystyakselin ympäri.
SNS-järjestelmät eivät kuitenkaan pysty määrittämään sijaintia tarkasti kaupunkiympäristöissä, joissa satelliittinäkyvyys on huono. Samanlaisia ongelmia esiintyy metsäalueilla. Lisäksi SNS-signaalien kulku riippuu ilmakehän prosesseista, esteistä ja signaalien heijastumista. Autonomiset gyroskooppiset laitteet toimivat missä tahansa - maan alla, veden alla, avaruudessa.
Lentokoneissa SNS osoittautuu pitkillä osilla tarkemmaksi kuin INS . Mutta kahden SNS-vastaanottimen käyttö lentokoneen kaltevuuskulmien mittaamiseen antaa jopa useiden asteiden virheitä. Myöskään kurssin laskeminen SNA:n avulla määrittämällä lentokoneen nopeus ei ole riittävän tarkka. Siksi nykyaikaisissa navigointijärjestelmissä optimaalinen ratkaisu on satelliitti- ja gyroskooppisten järjestelmien yhdistelmä, jota kutsutaan integroiduksi (integroiduksi) INS/SNS-järjestelmäksi.
Viime vuosikymmeninä gyroskooppisen tekniikan evoluutionaalinen kehitys on lähestynyt laadullisten muutosten kynnystä. Siksi gyroskoopin alan asiantuntijoiden huomio on nyt keskittynyt tällaisten laitteiden epästandardien sovellusten etsimiseen. Täysin uusia mielenkiintoisia tehtäviä on avautunut: geologinen tutkimus, maanjäristysten ennustaminen, rautateiden ja öljyputkien sijainnin ultratarkka mittaus, lääketieteellinen tekniikka ja monet muut.
MEMS - antureiden tuotantokustannusten merkittävä aleneminen on johtanut siihen , että niitä käytetään yhä enemmän älypuhelimissa ja pelikonsoleissa .
Gyroskooppeja on käytetty pelikonsolien ohjaimissa: Sixaxis Sony PlayStation 3:lle ja Wii MotionPlus Nintendo Wiille ja uudemmille. Yhdessä gyroskoopin kanssa niissä on kiihtyvyysanturi.
Alun perin älypuhelimien ainoa suunta-anturi oli kolmiakselinen MEMS- kiihtyvyysanturi , joka oli herkkä vain kiihtyvyydelle. Suhteellisen levossa sen avulla oli mahdollista arvioida likimääräisesti Maan gravitaatiovoimavektorin (g) suunta . Vuodesta 2010 lähtien älypuhelimiin on lisätty kolmiakselinen tärinä MEMS-gyroskooppi, yksi ensimmäisistä oli iPhone 4. Joskus asennetaan myös magnetometri (elektroninen kompassi) kompensoimaan gyroskooppien ajautumista. [18] [19]
Yksinkertaisimpia esimerkkejä gyroskoopin pohjalta valmistetuista leluista ovat jojo , toppi (yula) , spinner (päät eroavat gyroskoopeista siinä, että niissä ei ole yhtä kiinteää pistettä).
Lisäksi siellä on urheilugyro- simulaattori .
Useat radio-ohjatut helikopterit käyttävät gyroskooppia.
Multikopterien , erityisesti nelikopterien, lentämistä varten tarvitaan vähintään kolme gyroskooppia .
![]() |
| |||
---|---|---|---|---|
|