Что такое гироскоп? Этот вопрос часто задают себе пользователи смартфонов, видя в списке датчиков своего гаджета странное слово. Давайте разберемся, как устроен гироскоп, как он работает и где применяется в нашей повседневной жизни.
История гироскопа
Первые упоминания о свойствах вращающегося тела, которым обладает гироскоп, можно найти в трудах великого математика Леонарда Эйлера. В 1765 году он опубликовал работу «Теория движения твердых тел», где подробно рассмотрел особенности волчка.
Сам термин «гироскоп» был впервые предложен французским физиком Жаном Фуко в 1852 году. Он использовал это название для своего изобретения, которое помогало экспериментально продемонстрировать вращение Земли.
Гироскоп (от др.-греч. γῦρος «круг» + σκοπέω «смотрю») — устройство, способное реагировать на изменение углов ориентации тела, на котором оно установлено, относительно инерциальной системы отсчета.
Хотя само слово появилось только в 19 веке, механический гироскоп был изобретен немецким астрономом Иоганном Боненбергером еще в 1817 году.
А в 1880-х годах инженер Людвиг Обри впервые применил гироскоп на практике, использовав его для стабилизации курса торпеды. Это стало началом активного внедрения гироприборов в технике.
Что такое гироскоп
Гироскоп – это прибор, имеющий свободную ось вращения и способный реагировать на изменение углов ориентации тела, на котором он установлен. При вращении гироскоп сохраняет свое положение неизменным.
Простейшим примером гироскопа является детская игрушка – волчок или юла. Если такой волчок раскрутить до высокой скорости, он будет долго стоять вертикально и почти не отклоняться при внешних воздействиях. Это происходит благодаря гироскопическому эффекту:
- устойчивость гироскопа, т.е. способность сохранять положение оси вращения
- прецессия - явление отклонения оси гироскопа под действием внешних сил
Существует множество разных видов гироскопов. Они различаются:
- по количеству степеней свободы (осей вращения)
- по принципу действия (механические, лазерные, волоконно-оптические и др.)
Рассмотрим устройство на примере механического роторного гироскопа. Это волчок, закрепленный в кардановом подвесе, который позволяет ему вращаться вокруг трех осей. Благодаря этому ось ротора гироскопа может иметь любое направление в пространстве. И как бы мы ни вращали корпус гироскопа, сам ротор будет сохранять положение своей оси.
Гироскоп - это уникальный прибор, помогающий ориентироваться в пространстве. История его создания насчитывает почти два века, но и сегодня гироскопические технологии активно развиваются и внедряются в технику.
Где применяются гироскопы
Благодаря своим уникальным свойствам гироскопы нашли широкое применение в различных областях.
В транспорте они незаменимы для создания систем навигации. Гироскопы используются в авиагоризонтах самолетов, в гирокомпасах для определения курса, в инерциальных навигационных системах ракет и космических кораблей.
Современные гаджеты, такие как смартфоны и игровые приставки, тоже оснащены миниатюрными гироскопами. Они позволяют определить положение устройства в пространстве, например, для управления персонажем в игре.
Принцип работы гироскопа
Физические принципы, которые объясняют работу гироскопа, известны давно. Это прежде всего законы сохранения момента импульса и момента количества движения.
Под действием внешнего момента силы гироскоп начинает вращаться в направлении этой силы. Но благодаря собственному быстрому вращению ротора возникает так называемая кориолисова сила инерции. Именно она вызывает явление прецессии – отклонение оси гироскопа перпендикулярно приложенной внешней силе.
Современные гироскопы
Сегодня активно ведутся разработки миниатюрных гироскопов на основе микроэлектромеханических систем (МЭМС). Они используются в смартфонах, планшетах, игровых контроллерах и других гаджетах.
Перспективным направлением являются также квантовые гироскопы. Они должны обеспечить еще бóльшую точность, чем существующие оптические аналоги.
Мифы о гироскопах
Существует распространенное заблуждение, что при использовании GPS гироскопы якобы теряют актуальность. На самом деле спутниковые системы навигации не могут полностью заменить гироприборы.
В смартфонах и игровых контроллерах тоже используются настоящие MEMS гироскопы. Это не просто программные или математические модели.
Забавные факты про гироскопы
Гироскопический эффект широко используется в игрушках и развлечениях. Самые простые примеры - это йо-йо, волчки, спиннеры.
Интересно, что первые радиоуправляемые вертолеты тоже работали с помощью гироскопов. А в современных квадрокоптерах для полета необходимо минимум три MEMS гироскопа.
Необычные применения гироскопов
Гироскопы активно применяются не только в технике, но и в науке. Например, они используются геологами для предсказания землетрясений.
С помощью гироскопов также контролируют положение железнодорожных путей и нефтепроводов. А на их основе создан спортивный тренажер - гироскутер.
Перспективы развития
Несмотря на двухвековую историю, развитие гироскопических технологий не стоит на месте. Ученые работают над созданием сверхточных квантовых датчиков. А инженеры находят все новые способы использования уникальных свойств гироскопов.
Гироскопы будут и дальше активно применяться для навигации и ориентации в пространстве. А также в самых неожиданных и интересных областях - от медицины до развлечений.
Гироскопы в игрушках
Самые простые игрушки, сделанные на основе гироскопического эффекта - это волчки, йо-йо и спиннеры. Все дети знакомы с этими развлечениями.
Но гироскопы используются и в более сложных игрушках. Например, в радиоуправляемых вертолетах и мультикоптерах для стабилизации полета нужно минимум три гироскопа.
Гироскопические тренажеры
Уникальные свойства гироскопов позволяют использовать их в спортивных симуляторах. Существуют гироскопические тренажеры, имитирующие езду на мотоцикле, сноуборде, коньках.
Также был разработан гироскутер - транспортное средство, которое балансирует с помощью встроенного гироскопа.
Гироскопы и геология
Оказывается, гироскопы могут использоваться не только в технике, но и в науке. Геологи применяют гироприборы для зондирования недр Земли. А также для прогнозирования землетрясений, отслеживая малейшие подвижки грунта.
Медицинские гироскопы
В медицине гироскопы помогают лечить нарушения вестибулярного аппарата. С их помощью корректируют проблемы с балансом и координацией.
Перспективы квантовых гироскопов
Ученые работают над созданием нового поколения сверхточных квантовых гироскопов. Они должны будут превзойти по своим характеристикам все существующие приборы.
Квантовые датчики смогут найти применение в навигационных системах будущего, а также помочь в фундаментальных научных исследованиях.
