Гироскоп: применение в технике

РобоВики. Блог по образовательной робототехнике

Данная статья является вводной теорией к уроку «Механический гироскоп. Авиагоризонт из Lego EV3» для кружка робототехники.

«Я увидел вращение Земли под микроскопом»

В 1852 году в Парижской академии наук французский физик, механик и астроном Леон Фуко (1819 — 1868) продемонстрировал прибор, позволяющий обнаружить вращение Земли. Гироскоп — так он назвал это устройство. «Гирос» — от греческого «вращение». «Скопео» — от греческого «вижу, наблюдаю». Гироскоп был придуман ранее другим изобретателем, но название этого прибора пошло именно от Фуко.

Гироскоп: применение в технике
Французский физик Леон Фуко

Оригинальную конструкцию продемонстрированного в Парижской академии гироскопа со специальной шкалой Фуко изобрел сам. Постройку гироскопа ученый заказал у известного изобретателя Генриха Румкорфа (1803 — 1877), создателя катушки Румкорфа — устройства для получения электрических высоковольтных импульсов.

Гироскоп Фуко представлял из себя вращающийся ротор (волчок) подвешенный так, что его ось могла поворачиваться в любом направлении относительно некоторой центральной неподвижной точки. Такой гироскоп имел наружную и внутреннюю рамку, которые могли вращаться относительно друг друга, и ротор, который концами оси крепился на внутренней рамке.

Гироскоп: применение в технике
Гироскоп в кардановом подвесе

Оси вращения двух рамок и ротора пересекаются в точке О — он же центр масс этих тел.

Как бы не поворачивалось основание гироскопа, ось ротора сохраняет неизменное положение. Почему это так, нужно знать физические законы. Самые любознательные могут посмотреть видео по ссылкам в конце документа. Это свойство гироскопа было использовано Фуко для доказательства вращения Земли.

Гироскоп: применение в технике
Гироскоп Фуко. Стрелка и шкала использовались для фиксации с помощью микроскопа смещения оси ротора при вращении Земли

Фуко установил гороскоп в подвале дома на тяжелом столе, чтобы никакая внешняя сила не повлияла на его вращение. Ученый раскручивал ротор до большой скорости с помощью специальной машины и возвращал на подставку.

Чтобы увидеть мельчайшее смещение оси вращения ротора относительно метки, Фуко производил наблюдения в микроскоп. И вскоре увидел смещение, которое повторялось из опыта к опыту.

— Я увидел вращение Земли под микроскопом, — сказал Фуко.

Кстати, Леону Фуко принадлежит другой опыт, доказывающий вращение нашей планеты. В 1851 году каждый парижанин мог «увидеть» вращение планеты во французском Пантеоне. В этом высоком храме Фуко построил огромный маятник с высотой подвеса в 67 метров и шаром массой 28 кг на конце. Позже в СССР в 1931 году маятник Фуко был установлен в Исаакиевском соборе, где демонстрировался до 1986 года. Прочитать о маятнике Фуко подробней можно по этой ссылке.

Гироскоп: применение в технике
Демонстрация вращения Земли с помощью маятника Фуко в парижском Пантеоне
Гироскоп: применение в технике
Маятник Фуко в Исаакиевском соборе сбивает спичечный коробок

Применение гироскопа в технике

Игрушечный волчок — это простейший гироскоп, который вращается вокруг точки опоры. Гироскопические свойства проявляются во всех быстровращающихся устройствах — лопастях вертолета, турбине двигателя самолета.

Гироскоп: применение в технике
Игрушечный волчок и вертолет

При повороте основания гироскопа ось вращения ротора сохраняет свое изначальное положение. И это свойство гироскопа нашло отражение в приборах, созданных для навигации самолетов, ракет, кораблей. Гироскоп может быть установлен даже в ваш смартфон, только он будет не механический, а электронный.

Приборы, использующие гироскоп, получили название гироскопических. Кроме карданова подвеса в механических гироскопах может использоваться аэродинамический подвес (ротор плавает на воздушной подушке) или электромагнитный подвес (ротор подвешивается в магнитом поле).

Гирокомпас. Из-за вращения Земли вокруг своей оси ось ротора гироскопа автоматически выравнивается относительно южного и северного полюса. Такой компас не подвержен влиянию намагниченных масс металла или электрической проводки, имеющихся на кораблях и самолетах.

Гироскоп: применение в технике
Гирокомпас на корабле

Гиротахометр измеряет угловую скорость объекта, например, скорость и направление поворота самолета.

Авиагоризонт — гироскопический бортовой прибор самолета, который используется для определения углов тангажа (нос-хвост) и крена (левое-правое крыло) летательного аппарата. Это важнейшее устройство, с помощью которого опытный летчик может управлять самолетом с нулевой видимостью, не имея ориентиров в пространстве.

Гироскоп: применение в технике
Прибор «Авиагоризонт» устанавливается на каждом самолете и находится в кабине экипажа

Гиростабилизатор на ракете, космическом корабле или спутнике дает понять электронной системе управления, в каком положении находится корабль относительно Земли или другого объекта. И с помощью такого гироскопа система управления может дать автоматический сигнал на запуск соответствующих корректирующих двигателей.

Гироскоп: применение в технике
Гиростабилизатор позволяет установить систему координат для управления кораблем «Союз»

Гиродины (сontrol moment gyroscope) — это силовые гиростабилизаторы, которые устанавливаются на космические корабли или ракеты для их выравнивания в пространстве. Свойство крутящегося волчка оставаться в вертикальном положении можно использовать для отталкивания от него. Гиродины намного больше и тяжелее гироскопов, использующихся для навигации в пространстве. Их большая скорость вращения и большая масса дает большой момент инерции, который используется для изменения положения космического корабля. Космический корабль может оттолкнуться от такого гироскопа без использования двигателей ориентации. Так, четыре гиродина находится на МКС и позволяют поворачивать станцию без использования реактивных двигателей.

Гироскоп: применение в технике
Замена гиродина на МКС (слева). Блок из четырех гиродинов МКС (справа)

Литература:

  1. Творцы машин. Гироскоп Фуко 
  2. Habr. Как опереться на пустоту?
  3. 1sept.ru. Как это устроено: Гироскопы
  4. ИНЕРЦИЯ И МОМЕНТ ИНЕРЦИИ: базовые сведения

Видео:

  1. Научфильм СССР. Гироскоп и его применение. 2 части
  2. НИЯУ МИФИ. Опыт с большим гироскопом. Гирокомпас
  3. НИЯУ МИФИ. Гироскоп (гирокомпас) в карданном подвесе
  4. GetAClass — Физика в опытах и экспериментах. Гироскоп
  5. GetAClass — Физика в опытах и экспериментах. Прецессия гироскопа
  6. Гироскоп . Вычисляется угловая скорость регулярной прецессии гироскопа
  7. Gyroscope Tricks and Physics Stunts

 

Оцените статью
( 1 оценка, среднее 5 из 5 )
РобоВики

Прокомментировать