Краткая история развития
Гироскоп – впервые это слово прозвучало в 1852 году из уст великого французского учёного Жана Бернара Леона Фуко, хотя сам прибор придумал не он, а его немецкий коллега Иоганн Боненбергер. Именно он создал прототип современного астатического гироскопа в виде массивного шара на кардановом подвесе ещё в 1813 году, опубликовав описание изобретения четырьмя годами позднее. Конечный вид гироскоп приобрёл в 1832 году благодаря замене шара диском, что и осуществил американец Уолтер Р. Джонсон. Гироскоп получил широкое применение благодаря своим свойствам, а именно, таким как нутация, прецессия и гироскопический эффект.
Боненбергер, Иоанн Готлиб Фридрих (1765—1831)
Основные свойства гироскопа
Если трение в подшипниках достаточно мало, то прибор приобретает свойство: как бы не поворачивалось его основание, ось ротора сохраняет неизменное направление в инерциальном пространстве.
Прецессия – это вращение прибора при действии на него момента внешних сил. Исходит из теоремы Резаля – угловая скорость прецессии равна отношению экваториальной составляющей момента внешних сил к собственному кинетическому моменту.
Нутация – это нерегулярное движение вращающегося твёрдого тела по инерции, которое обычно носит характер мелких колебаний.
Гироскопический момент – называется суммарный момент сил противодействия гироскопа возникающих при его прицесии.
Преимуществом гироскопа перед более древними приборами является то, что он правильно работает в сложных условиях (плохая видимость, тряска, электромагнитные помехи). Благодаря этому он стал незаменим в маркшейдерии, космонавтике, авиации. Однако гироскоп быстро останавливался изза трения.
Первое применение
Впервые на практике гироскоп был применён в 1880-х годах инженером Обри для стабилизации курса торпеды. Пётр Шиловский значительно расширил применение гироскопов.
Ещё в начале 20-го века он сконструировал первый в истории 2-х колёсный гиромобиль: маховик на гирокаре весил около 600 килограмм и приводился в движение с помощью электродвигателя, который в свою очередь питался от динамомашины. Так же под руководством Шиловского создавалась гироскопическая монорельса на которой должен был двигаться гиросостав вместительностью 400 человек и макс скоростью 150 км\ч. Но правительство сменилось и проект свернули.
Так же Петром Шиловским были предложены следующие идеи ис-пользования гироскопа:
Ортоскоп– гироскопический указатель курса;
Гироскопический успокоитель качки корабля (гиростабилизатор) и т. д. – в начале 20-го века эти идеи не были восприняты в серьёз. В современном же мире гироскоп нашёл широкое применение во всех направлениях: любой самолёт или вертолёт оборудован несколькими гироскопами, подводные лодки и космические станции оборудованы гирокомпасами, гиростабилизаторы помогают авианосцам избежать нежелательной качки.
Также гироскоп нашел применение в сфере развлечений. Все мы помним йо-йо, которое является обычным гироскопом.
Гироскоп в современном мире
Современные технологии позволяют вместить гироскоп в интегральную микросхему размером 2 * 2 мм, чем и воспользовалась компания Apple, установив на айфон 4 микрогироскоп .
Знаменитый Segway. Два колеса скутера расположены параллельно друг другу, благодаря технологии Dynamic Stabilization Segway автоматически, с частотой 100 раз в секунду, определяет нарушение балансировки при изменении положения корпуса ездока. Для этой цели используется система гироскопических датчиков наклона. Их сигналы поступают на микропроцессоры, которые вырабатывают управляющие двигателями воздействия. Каждое колесо приводится во вращение своим электродвигателем, реагирующим на изменения равновесия. При наклоне ездока вперёд Segway начинает катиться вперёд, и чем больше наклон, тем быстрее. При отклонении корпуса назад, самокат замедляет движение, останавливается или катится задним ходом. При наклоне влево или вправо, электродвигатель соответствующего колеса замедляется или начинает вращение в обратном направлении – самокат поворачивается в нужную сторону. Благодаря этому, Segway-ю не нужны ни руль, ни тормоза.
Гироскоп чаще всего применяется как чувствительный элемент указывающих гироскопических приборов и как датчик угла поворота или угловой скорости для устройств автоматического управления. Впоследствии – 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. Так же свойства гироскопа применяются для стабилизации горизонтали в быстроходных пограничных катерах. Когда катер развивает большую скорость и если на поверхности воды большие волны, включают мощный гироскоп, удары волн о днище заглушаются гироскопом и не вызывают сильных подпрыгиваний катера. Такие сферы деятельности как космонавтика и маркшейдерия просто не могут обойтись без гирокомпасов.
Для демонстрации необычных свойств данного прибора будет представлен работоспособный опытный образец.
Список использованной литературы
1. Малеев П. И. Новые типы гироскопов: судостроение 1971.
2. Булгаков Б. В. Прикладная теория гироскопов. – Москва: гос. издат. 1955.
3. Н. В. Бутенин, Я. Л. Лунц, Д. Р. Меркин Введение в теорию гироскопов: НАУКА, 1972.
4. Шереметьев А. Г. Волоконный оптический гироскоп: – М.: Радио и связь, 1987.