Гироскоп

Гироскоп — обобщенное название для разных технических устройств, помогающих объектам ориентироваться в окружающем пространстве. Принцип действия прибора обусловлен естественным свойством вращающихся тел, которые стремятся поддерживать угловую скорость и направление оси вращения.

В далеком прошлом гироскопы использовали как игрушки. Однако по мере развития техники и создания все более сложных конструкций гироскопы стали неотъемлемой частью систем морской, авиационной и космической навигации, а также электронных гаджетов. В этой статье мы вспомним историю гироскопов, поймем принцип их работы и узнаем, как именно они применяются в различных устройствах.

История создания гироскопов ( Кто придумал Гироскоп )

Самыми ранними гироскопами считаются детские игрушки — волчок или юла. Конусообразные деревянные изделия, способные поддерживать вращение под воздействием применяемой к ним силы, находили в древнеегипетских гробницах. Ученым удалось установить, что они были изготовлены в начале II тысячелетия до нашей эры. Волчки использовали не только для детских забав, зачастую они был важным атрибутом религиозных обрядов, предсказаний и азартных игр. Их независимо друг от друга изобретали разные древние цивилизации:

• Китай — XIII век до нашей эры;
• Кельтские племена — I век до нашей эры;
• Русь — IX век нашей эры (славянская игрушка называлась кубарь, от нее пошло выражение «скатиться кубарем»).

Первым применил это устройство для навигационных британский морской капитан Джон Серсон. В 1743 году он прикрепил к волчку зеркало, которое во время вращения сохраняло свое положение. Это устройство позволяло рулевому наблюдать линию горизонта во время сильного тумана или шторма. Таким образом, вращающееся зеркало Серсона стало предшественником не только гироскопа, но и искусственного горизонта — индикатора курса корабля.

Первое устройство, которое без всяких оговорок можно считать гироскопом, создал в 1817 году немецкий астроном и математик Иоганн Боненбергер. Приспособление представляло собой массивную сферу, закрепленную на кардановом подвесе. Карданов подвес — это шарнирная опора, которая позволяет закрепленным внутри нее объектам вращаться в разных плоскостях. Название устройству Боненбергера дал французский ученый Леон Фуко, объединив греческие слова «гирос» и «скопео» («γῦρος» — «окружность», «σκοπέω» — «наблюдать»). В середине XIX века он использовал гироскоп для наглядной демонстрации принципов вращения Земли.

Принцип работы гироскопа

Чтобы понять, как устроен гироскоп, сначала разберемся с понятием углового момента. Угловой момент выражает силу, которую проявляет вращающийся объект. Она зависит от 2 взаимосвязанных величин:

• момента инерции — показывает возможность вращения объекта при отсутствии воздействия на него внешних сил;
• угловой скорости — показывает изменение угла поворота вращающегося объекта за единицу времени (как быстро вращается тело).

Согласно принципу сохранения углового момента, если на вращающиеся в замкнутой системе объекты не воздействует внешний крутящий момент, они продолжают инерционное движение, стремясь сохранить угловую скорость и направление оси вращения. Чтобы было понятнее, обратимся к самому простому примеру. Раскрученный волчок постепенно замедляет свое движение только за счет силы трения. Когда мы его подталкиваем, он лишь слегка покачивается, но сохраняет вращение и выравнивает ось.

Основой гироскопа является карданов подвес. Здесь роль волчка выполняет ротор — диск, закрепленный на вертикальной оси. Оба конца этой оси закреплены на внутренней кольцевой раме, способной вращаться в горизонтальном направлении (том же, в котором вращается ротор). За ней следует внешняя рама, закрепленная на корпусе и вращающаяся по вертикальной оси. Как бы мы ни перемещали корпус, ось вращающегося ротора будет стабилизироваться в пространстве. Чем быстрее вращение, тем точнее стабилизация.

Типы гироскопов: механические, вибрационные и оптические

В предыдущем разделе мы рассмотрели принцип работы механического (роторного) гироскопа. Так как ротор способен стабилизировать свое положение при перемещении гироскопа в 3 плоскостях (имеет 3 степени свободы), такой гироскоп называют трехстепенным. Трехстепенные гироскопы наиболее функциональны, так как они помогают стабилизировать положение объекта в трехмерном пространстве. Существуют и более простые конструкции — двухстепенные гироскопы, способные вращаться вокруг всего лишь одной оси. Такие устройства часто устанавливают на лодки для уменьшения качки — массивный вращающийся ротор стремится выправить свое положение, сокращая амплитуду раскачиваний.

Более сложным и технически продвинутым типом гироскопа является вибрационный. Его работа основана на действии гироскопической силы Кориолиса. Этот эффект проявляется следующим образом: вибрирующие тела стремятся сохранить амплитуду колебаний независимо от перемещения их опоры. Измеряя изменение силы Кориолиса, вибрационные гироскопы фиксируют отклонение объекта в пространстве и отправляют команды для стабилизации.

Наиболее чувствительными гироскопами являются оптические. Это сложные приборы, которые с разных сторон отправляют световые лучи на вращающийся объект. Даже по самым незначительным отклонениям в скорости прохождения лучей устройство фиксирует изменение ориентации объекта в пространстве и стабилизирует его с высочайшей точностью. Оптические гироскопы разделяют на 2 основные подгруппы:

• волоконно-оптические — измеряют скорость вращения по времени прохождения луча по замкнутому контуру;
• лазерные — посредством прохождения лазерного луча по зеркальным системам определяют угол наклона прибора.

Гироскопы в смартфонах: зачем они нужны?

Гироскопы в смартфонах выполняют следующие функции:

• позволяют изменять ориентацию экрана при наклоне;
• повышают удобство навигации, показывая, в какую сторону в данный момент направлен смартфон;
• регистрируют угол наклона, позволяя использовать смартфон как строительный уровень или играть в игры, основанные на поворотах устройства;
• добавляют быстрые команды при перемещении смартфона (экран включается при поднятии гаджета, или выполняется определенное действие при встряхивании).

В смартфонах используют специальный тип вибрационного гироскопа с микроэлектромеханической системой (МЭМС). Эти устройства представляют собой миниатюрные копии кардановых подвесов диаметром в несколько миллиметров. На вращающихся и статичных элементах конструкции располагаются электроды. В зависимости от положения смартфона вибрирующие элементы с разной силой воздействуют на электроды, которые, в свою очередь, преобразуют это воздействие в электрические сигналы.

Важно отметить, что для полноценного функционирования смартфонов одних гироскопов недостаточно. Они работают в связке с акселерометрами — приборами, фиксирующими линейное ускорение. Благодаря им смартфоны реагируют не только на вращение, но и на перемещение в пространстве, что также улучшает работу навигаторов и позволяет использовать гаджеты как шагомеры за счет вычисления пройденного расстояния.

Проверка работоспособности гироскопа в смартфоне

Чтобы проверить, работает ли гироскоп, необязательно нести смартфон в сервисный центр. Для этого вы можете воспользоваться любым онлайн-сервисом с панорамными видео. Они сделаны так, чтобы гаджет функционировал как виртуальная камера — перемещая смартфон в пространстве, можно просматривать разные области записи. Если этого не происходит, значит, гироскоп в смартфоне неисправен. Кроме того, есть более быстрый, но не такой интересный способ — специальные приложения, которые тестируют систему и определяют работоспособность гироскопа и акселерометра. Среди популярных приложений такого типа можно отметить Sensor Box, Gyroscope Test и Sensors Toolbox.

Как гироскопы используются в современных технологиях

Как уже было упомянуто, гироскопы являются неотъемлемой частью навигационных систем. Механические гироскопы, хотя постепенно выходят из употребления, до сих пор используются на кораблях. Они входят в состав гирокомпасов, показывающих истинное направление курса относительно севера, стабилизируют судно в случае отклонений и записывают все совершаемые маневры. Таким образом, на показания компаса влияют не только силовые линии магнитного поля Земли, но и вращающийся ротор.

Для контроля полета самолетов также используются гирокомпасы, однако они работают в связке с системой лазерных гироскопов. Они моментально фиксируют отклонения в продольной и поперечной плоскости (тангаж и крен) и при необходимости стабилизируют воздушное судно. Взаимная работа нескольких лазерных гироскопов позволяет автономно и очень точно определять местоположение самолета в трехмерном пространстве, что открывает возможность для автопилотирования.

В космической отрасли выравнивание играет решающую роль, так как от этого зависит, достигнет ли аппарат своей цели. Чаще всего космические корабли оснащают лазерными или волоконно-оптическими устройствами, однако иногда используют и механические. Гиродины, или гироскопы управляющего момента, представляют собой моторизованные кардановые подвесы. Постоянно измеряя угловой момент вращения ротора, они предотвращают хаотичное вращение и отклонения от курса космического аппарата.

Новые технологии в производстве гироскопов

С развитием технологий к характеристикам гироскопов предъявляются все более строгие требования. Прежде всего, они касаются их размеров, которые с каждым годом становятся все меньше и меньше. Уже сегодня появляются гироскопы новых поколений, которые вскоре заменят устройства с традиционной конструкцией. Кратко рассмотрим главные типы гироскопов будущего.

• Наноэлектромеханические. Имеют такую же конструкцию, что и вибрационные гироскопы в смартфонах, однако панели, улавливающие колебания, имеют толщину всего в 1 атом.
• Микрооптические и микромеханические. Рабочая площадь таких гироскопов в среднем составляет около 50 мм². Кроме того, инженеры постепенно переходят на полое оптоволокно, что позволяет снизить погрешность измерений времени прохождения световых лучей до минимума.
• Квантовые. В отличие от предыдущих, это принципиально новый тип гироскопов, которые способны улавливать колебания электронов, ядер атомов и фотонов в напряженном электромагнитном поле.

Интересные факты

• Наша планета также является очень большим гироскопом. Благодаря вращению вокруг своей оси угол наклона Земли относительно орбиты вокруг Солнца остается неизменным, и мы можем наблюдать циклическую смену времен года.

• Вибрационные гироскопы бывают не только искусственными, их можно встретить и в живой природе. У некоторых видов мух и комаров есть жужжальца — небольшие парные вибрирующие отростки, по степени натяжения которых насекомое чувствует, что отклонилось от курса и возвращается на заданную траекторию.
• Простые двухстепенные механические гироскопы используют при бурении глубоких шахт. Комплекс из 2 устройств позволяет определять местоположение бура под землей в вертикальной и горизонтальной плоскости и, в случае необходимости, корректировать его траекторию.

Вопрос-ответ

Что такое гироскоп?

Гироскоп — это механическое, вибрационное или оптическое устройство, которое отвечает за ориентацию и стабилизацию объектов в окружающем пространстве.

Что входит в механический гироскоп?

Механический гироскоп состоит из вращающегося ротора (диска на вертикальной оси), который последовательно соединен с внутренней и внешней рамой, а также корпусом гироскопа. При наклонах корпуса ось вращения ротора стабилизирует свое положение.

Как работает лазерный гироскоп простыми словами?

Внутри лазерного гироскопа расположена квадратная или треугольная система зеркал, по которой в противоположных направлениях проходят 2 лазерных луча. Когда прибор наклоняется, частота светового излучения изменяется, и по этим изменениям датчики определяют угол и направление наклона.

Кто придумал гироскоп?

Первый гироскоп современного типа в 1817 году изобрел немецкий ученый Иоганн Боненбергер. Трехстепенное механическое устройство со сферой внутри служило наглядной моделью вращающейся Земли.

Изображение на обложке: Hugöl Hälpingston/Unsplash