Гироско п от др греч

метки: Гироскоп, Гироскопический, Эффект, Применение, Механический, Свободный, Теория, Система

1. История

До изобретения гироскопа человечество использовало различные методы определения направления в пространстве. Издревле люди ориентировались визуально по удалённым предметам, в частности, по Солнцу. Уже в древности появились первые приборы: отвес и уровень, основанные на гравитации. В средние века в Китае был изобретён компас, использующий магнетизм Земли. В Европе были созданы астролябия и другие приборы, основанные на положении звёзд.

Гироскоп изобрёл Иоганн Боненбергер и опубликовал описание своего изобретения в 1817 году ^[1] . Однако французский математик Пуассон ещё в 1813 году упоминает Боненбергера как изобретателя этого устройства^[2] . Главной частью гироскопа Боненбергера был вращающийся массивный шар в кардановом подвесе^[3] . В 1832 году американец Уолтер Р. Джонсон придумал гироскоп с вращающимся диском^{[4] [5]} . Французский учёный Лаплас рекомендовал это устройство в учебных целях^[6] . В 1852 году французский учёный Фуко усовершенствовал гироскоп и впервые использовал его как прибор, показывающий изменение направления (в данном случае — Земли), через год после изобретения маятника Фуко, тоже основанного на сохранении вращательного момента^[7] . Именно Фуко придумал название «гироскоп». Фуко, как и Боненбергер, использовал карданов подвес. Не позднее 1853 года Фессель изобрёл другой вариант подвески гироскопа^[8] .

Преимуществом гироскопа перед более древними приборами является то, что он правильно работает в сложных условиях (плохая видимость, тряска, электромагнитные помехи).

Однако гироскоп быстро останавливался из-за трения.

Во второй половине XIX века было предложено использовать электродвигатель для разгона и поддержания движения гироскопа. Впервые на практике гироскоп был применён в 1880-х годах инженером Обри для стабилизации курса торпеды. В XX веке гироскопы стали использоваться в самолётах, ракетах и подводных лодках вместо компаса или совместно с ним.

2. Классификация

Основные типы гироскопов по количеству степеней свободы:

• 2-степенные (интегрирующие, дважды интегрирующие, дифференцирующие)
• 3-степенные.

Основные два типа гироскопов по принципу действия:

• механические гироскопы,
• оптические гироскопы.

По режиму действия гироскопы делятся на:

Гироскоп и его применение в технике

... учебных целях. В 1852 году французский учёный Фуко усовершенствовал гироскоп и впервые использовал его как прибор, показывающий изменение направления, через год после изобретения маятника Фуко, тоже основанного на сохранении ...

• датчики угловой скорости,
• указатели направления.

Однако одно и то же устройство может работать в разных режимах в зависимости от типа управления.

2.1. Механические гироскопы

ро́торный гироско́п

Впервые это свойство использовал Фуко в 1852 г. для экспериментальной демонстрации вращения Земли. Именно благодаря этой демонстрации гироскоп и получил своё название от греческих слов «вращение», «наблюдаю».

2.1.1. Свойства двухосного роторного гироскопа

При воздействии момента внешней силы вокруг оси, перпендикулярной оси вращения ротора, гироскоп начинает поворачиваться вокруг оси прецессии, которая перпендикулярна моменту внешних сил.

Например, если позволить оси гироскопа двигаться только в горизонтальной плоскости, то ось стремится установиться по меридиану, при том так, что вращение прибора происходит так же, как и вращение Земли. Если же оси позволить двигаться вертикально (в плоскости меридиана), то она стремится установиться параллельно оси земли. Именно это замечательное свойство гироскопа и определило широкое применение прибора.

Данное свойство напрямую связано с возникновением так называемой кориолисовой силы. Так, при воздействии момента внешней силы гироскоп поначалу будет вращаться именно в направлении действия внешнего момента (нутационный бросок).

Каждая частица гироскопа будет таким образом двигаться с переносной угловой скоростью вращения из-за момента. Но роторный гироскоп, помимо этого, и сам вращается, значит, каждая частица будет иметь относительную скорость. Следовательно, возникнет кориолисова сила, которая будет заставлять гироскоп двигаться в перпендикулярном приложенному моменту направлении, то есть прецессировать. Прецессия вызовет кориолисову силу, момент которой скомпенсирует момент внешней силы.

Гироскопический эффект вращающихся тел есть проявление коренного свойства материи — её инертности.

Упрощённо, поведение гироскопа описывается уравнением:

,

Отсюда следует, что момент силы , приложенный перпендикулярно оси вращения гироскопа, то есть перпендикулярный , приводит к движению, перпендикулярному как , так и , то есть к явлению прецессии. Угловая скорость прецессии гироскопа определяется его моментом импульса и моментом приложенной силы:

,

то есть обратно пропорциональна скорости вращения гироскопа.

2.1.2. Вибрационные гироскопы

Вибрационные гироскопы — устройства, сохраняющие свои колебания в одной плоскости при повороте. Данный тип гироскопов является намного более простым и дешёвым при сопоставимой точности по сравнению с роторным гироскопом. В зарубежной литературе также употребляется термин «Кориолисовы вибрирующие гироскопы» — так как принцип их действия основан на эффекте силы Кориолиса, как и у роторных гироскопов.

Лазерный гироскоп

... При этом скорость вращения гироскопа значительно превышает скорость поворота оси его вращения. Основное свойство такого гироскопа -- способность сохранять в пространстве неизменное направление оси вращения при отсутствии воздействия на неё моментов внешних сил. Впервые ...

Например, вибрационные гироскопы применяются в системе измерения наклона электрического самоката Сигвей. Система состоит из пяти вибрационных гироскопов, чьи данные обрабатываются двумя микропроцессорами.

Именно данный тип гироскопов используется в мобильных устройствах, в частности, в iPhone 4

2.1.2.1. Принцип работы

Два подвешенных грузика вибрируют на плоскости в MEMS гироскопе с частотой .

При повороте гироскопа возникает Кориолисово ускорение равное , где — скорость и — угловая частота поворота гироскопа. Горизонтальная скорость колеблющегося грузика получается как : , а положение грузика в плоскости — . Внеплоскостное движение , вызываемое поворотом гироскопа равно:

где:

— масса колеблющегося грузика.

— коэффициент жёсткости пружины в направлении, перпендикулярном плоскости.

— величина поворота в плоскости перпендикулярно движению колеблющегося грузика.

2.1.2.2. Разновидности

• Пьезоэлектрические гироскопы.
• Твердотельные волновые гироскопы ^{[9] [10]} .
• Камертонные гироскопы.
• Вибрационные роторные гироскопы
• МЭМС гироскопы.

2.2. Оптические гироскопы

Делятся на волоконно-оптические и лазерные гироскопы. Принцип действия основан на эффекте Саньяка и теоретически объясняется с помощью СТО. Согласно СТО скорость света постоянна в любой инерциальной системе отсчёта. В то время как в неинерциальной системе она может отличаться от c. При посылке луча света в направлении вращения прибора и против направления вращения разница во времени прихода лучей (определяемая интерферометром) позволяет найти разницу оптических путей лучей в инерциальной системе отсчёта, и, следовательно, величину углового поворота прибора за время прохождения луча.

3. Применение гироскопов в технике

Свойства гироскопа используются в приборах — гироскопах, основной частью которых является быстро вращающийся ротор, который имеет несколько степеней свободы (осей возможного вращения).

Чаще всего используются гироскопы, помещённые в карданов подвес (см. рис.).

Такие гироскопы имеют 3 степени свободы, то есть он может совершать 3 независимых поворота вокруг осей АА’ , BB’ и CC’ , пересекающихся в центре подвеса О , который остаётся по отношению к основанию A неподвижным.

Современные МЭМС-гироскопы и акселерометры

... В данной работе будут рассмотрены МЭМС-датчики для измерения ускорения (акселерометры) и угловой скорости (гироскопы). Данные устройства активно используются в системах управления летательными аппаратами, для обеспечения безопасности ...

Гироскопы, у которых центр масс совпадает с центром подвеса O , называются астатическими, в противном случае — статическими гироскопами.

Для обеспечения вращения ротора гироскопа с высокой скоростью применяются специальные гиромоторы.

Для управления гироскопом и снятия с него информации используются датчики угла и датчики момента.

Гироскопы используются в виде компонентов как в системах навигации (авиагоризонт, гирокомпас, ИНС и т. п.), так и в нереактивных системах ориентации и стабилизации космических аппаратов.

3.1. Системы стабилизации

Системы стабилизации бывают трех основных типов.

• Система силовой стабилизации (на 2-степенных гироскопах).

Для стабилизации вокруг каждой оси нужен один гироскоп. Стабилизация осуществляется гироскопом и двигателем разгрузки, в начале действует гироскопический момент, а потом подключается двигатель разгрузки.

• Система индикаторно-силовой стабилизации (на 2-степенных гироскопах).

Для стабилизации вокруг каждой оси нужен один гироскоп. Стабилизация осуществляется только двигателями разгрузки, но в начале появляется небольшой гироскопический момент, которым можно пренебречь.

• Система индикаторной стабилизации (на 3-степенных гироскопах)

Для стабилизации вокруг двух осей нужен один гироскоп. Стабилизация осуществляется только двигателями разгрузки.

3.2. Новые типы гироскопов

Постоянно растущие требования к точностным и эксплуатационным характеристикам гиро-приборов заставили ученых и инженеров многих стран мира не только усовершенствовать классические гироскопы с вращающимся ротором, но и искать принципиально новые идеи, позволившие решить проблему создания чувствительных датчиков для измерения и отображения параметров углового движения объекта.

более ста

Поскольку прецизионные гироскопы используются в системах наведения стратегических ракет большой дальности, во время холодной войны информация об исследованиях, проводимых в этой области, классифицировалась как секретная.

Перспективным является направление развития квантовых гироскопов.

3.3. Перспективы развития гироскопического приборостроения

Сегодня созданы достаточно точные гироскопические системы, удовлетворяющие большой круг потребителей. Сокращение средств, выделяемых для военно-промышленного комплекса в бюджетах ведущих мировых стран, резко повысило интерес к гражданским применениям гироскопической техники. Например, сегодня широко распространено использование микромеханических гироскопов в системах стабилизации автомобилей или видеокамер.

По мнению сторонников таких методов навигации, как GPS и ГЛОНАСС, выдающийся прогресс в области высокоточной спутниковой навигации сделал ненужными автономные средства навигации (в пределах зоны покрытия спутниковой навигационной системы (СНС), то есть в пределах планеты).

В настоящее время СНС системы по параметрам массы, габаритов и стоимости превосходят гироскопические.

система навигационных спутников третьего поколения

Однако системы GPS оказываются неспособны точно определять положение в городских условиях, при плохой видимости спутников. Подобные проблемы обнаруживаются и в лесистой местности. Кроме того прохождение сигналов СНС зависит от процессов в атмосфере, препятствий и переотражений сигналов. Автономные же гироскопические приборы работают в любом месте — под землёй, под водой, в космосе.

Навигационные системы летательных аппаратов

... время основу навигационных систем беспилотных летательных аппаратов составляют приёмники глобальных систем спутниковой навигации (ГССН), компенсированные с ... грамм содержит все необходимое для автономной навигации: гироскопы, акселерометры и высокопроизводительное ядро с математическим ... автотранспорта и в системы стабилизации оборудования. Рисунок 2 Микро-БИНС (Бесплатформенная ...

В самолётах GPS оказывается точнее акселерометров на длинных участках. Но использование двух GPS-приёмников для измерения углов наклона самолета даёт погрешности до нескольких градусов. Подсчёт курса путём определения скорости самолёта с помощью GPS также не является достаточно точным. Поэтому, в сегодняшних навигационных системах оптимальным решением является комбинация спутниковых и гироскопических систем, называемая интегрированной(комплексированной) ИНС/СНС системой.

За последние десятилетия, эволюционное развитие гироскопической техники подступило к порогу качественных изменений. Именно поэтому внимание специалистов в области гироскопии сейчас сосредоточилось на поиске нестандартных применений таких приборов. Открылись совершенно новые интересные задачи: разведка полезных ископаемых, предсказание землетрясений, сверхточное измерение положений железнодорожных путей и нефтепроводов, медицинская техника и многие другие.

3.4. Использование гироскопа в смартфонах и игровых приставках

Значительное удешевление производства МЭМС-гироскопов привело к тому, что они начинают использоваться в смартфонах и игровых приставках.

Появление МЭМС-гироскопа ^[11] в новом смартфоне Apple iPhone 4 открывает новые возможности в 3D-играх и в формировании дополненной реальности^[12] . Уже сегодня, разные производители смартфонов и игровых приставкок собираются использовать МЭМС-гироскопы в своих продуктах. Вскоре появятся приложения на смартфонах и игровых приставках, которые сделают компьютерный экран окном в другой — виртуальный мир. Например в 3D-игре, пользователь перемещая смартфон или мобильную игровую консоль, увидит другие стороны игровой — виртуальной реальности. Поднимая смартфон вверх — пользователь увидит виртуальное небо, а опуская вниз — увидит виртуальную землю. Вращая по сторонам света — может осмотреться вокруг — внутри виртуального мира. Гироскоп даёт программе данные о том, как ориентирован смартфон относительно реального мира, а программа связывает эти данные с виртуальным миром. Таким же образом, но уже не в игре, можно использовать гироскоп для формирования дополненной реальности.

Так же гироскоп стал применяться в управляющих игровых контроллерах, таких как: Sixaxis для Sony PlayStation 3 и Wii MotionPlus для Nintendo Wii. В обоих перечисленных контроллерах использованы два дополняющих друг друга, пространственных сенсора: акселерометр и гироскоп . Впервые игровой контроллер, умеющий определять своё положение в пространстве, был выпущен компанией Nintendo — Wii Remote для игровой приставки Wii, но в нем используется только трёхмерный акселерометр. Трёхмерный акселерометр не способен давать точное измерение параметров вращения при высокодинамичных движениях. И именно поэтому в новейших игровых контроллерах: Sixaxis и Wii MotionPlus, кроме акселерометра, был использован дополнительный пространственный сенсор — гироскоп .

4. Игрушки на основе гироскопа

На тема «Создание WEB- сайтов»

... Способ. Создаем сайт с нуля Этот способ - наиболее длительный и трудный. Необходимо будет изучить хорошо хотя бы один из распространенных языков веб-программирования, например, HTML, PHP, CSS, ... а также работу с базами данных, например, MySQL. Этот процесс - длительный.Можно также идти по пути создания сайтов на основе ...

Самыми простыми примерами игрушек, сделанных на основе гироскопа, являются йо-йо, волчок (юла) и модели вертолетов.

Волчки отличаются от гироскопов тем, они не имеют ни одной неподвижной точки.

Кроме того, существует спортивный гироскопический тренажёр.

5. Примечания

1. Johann G. F. Bohnenberger (1817) «Beschreibung einer Maschine zur Erläuterung der Gesetze der Umdrehung der Erde um ihre Axe, und der Veränderung der Lage der letzteren» («Описание машины для объяснения законов вращения Земли вокруг своей оси и изменения направления последней») Tübinger Blätter für Naturwissenschaften und Arzneikunde , vol. 3, pages 72-83. В интернете: http://www.ion.org/museum/files/File_1.pdf — www.ion.org/museum/files/File_1.pdf
2. Simeon-Denis Poisson (1813) «Mémoire sur un cas particulier du mouvement de rotation des corps pesans» («Статья об особом случае вращательного движения массивных тел»), Journal de l’École Polytechnique , vol. 9, pages 247—262. В интернете: http://www.ion.org/museum/files/File_2.pdf — www.ion.org/museum/files/File_2.pdf
3. Фото гироскопа Боненбергера: http://www.ion.org/museum/item_view.cfm?cid=5&scid=12&iid=24 — www.ion.org/museum/item_view.cfm?cid=5&scid=12&iid=24
4. Walter R. Johnson (January 1832) «Description of an apparatus called the rotascope for exhibiting several phenomena and illustrating certain laws of rotary motion, » The American Journal of Science and Art , 1st series, vol. 21, no. 2, pages 265—280. В интернете: http://books.google.com/books?id=BjwPAAAAYAAJ&pg=PA265&lpg=PR5&dq=Johnson+rotascope&ie=ISO-8859-1&output=html — books.google.com/books?id=BjwPAAAAYAAJ&pg=PA265&lpg=PR5&dq=Johnson rotascope&ie=ISO-8859-1&output=html
5. Illustrations of Walter R. Johnson’s gyroscope («rotascope») appear in: Board of Regents, Tenth Annual Report of the Board of Regents of the Smithsonian Institution…. (Washington, D.C.: Cornelius Wendell, 1856), pages 177—178. В интернете: http://books.google.com/books?id=fEyT4sTd7ZkC&pg=PA178&dq=Johnson+rotascope&ie=ISO-8859-1&output=html — books.google.com/books?id=fEyT4sTd7ZkC&pg=PA178&dq=Johnson rotascope&ie=ISO-8859-1&output=html
6. Wagner JF, «The Machine of Bohnenberger, » The Institute of Navigation. В интернете: http://www.ion.org/museum/item_view.cfm?cid=5&scid=12&iid=24 — www.ion.org/museum/item_view.cfm?cid=5&scid=12&iid=24
7. L. Foucault (1852) «Sur les phénomènes d’orientation des corps tournants entraînés par un axe fixe à la surface de la terre, » Comptes rendus hebdomadaires des séances de l’Académie des Sciences (Paris) , vol. 35, pages 424—427. В интернете: — www.bookmine.org/memoirs/pendule.html . Scroll down to «Sur les phénomènes d’orientation …»
8. (1) Julius Plücker (September 1853) «Über die Fessel’sche rotationsmachine, » Annalen der Physik , vol. 166, no. 9, pages 174—177; (2) Julius Plücker (October 1853) «Noch ein wort über die Fessel’sche rotationsmachine, » Annalen der Physik , vol. 166, no. 10, pages 348—351; (3) Charles Wheatstone (1864) «On Fessel’s gyroscope, » Proceedings of the Royal Society of London , vol. 7, pages 43-48. В интернете: http://books.google.com/books?id=CtGEAAAAIAAJ&pg=RA1-PA307&lpg=RA1-PA307&dq=Fessel+gyroscope&source=bl&ots=ZP0mYYrp_d&sig=DGmUeU4MC8hAMuBtDSQn4GpAyWc&hl=en&ei=N4s9SqOaM5vKtgf62vUH&sa=X&oi=book_result&ct=result&resnum=9 — books.google.com/books?id=CtGEAAAAIAAJ&pg=RA1-PA307&lpg=RA1-PA307&dq=Fessel gyroscope&source=bl&ots=ZP0mYYrp_d&sig=DGmUeU4MC8hAMuBtDSQn4GpAyWc&hl=en&ei=N4s9SqOaM5vKtgf62vUH&sa=X&oi=book_result&ct=result&resnum=9 .
9. Lynch D.D. HRG Development at Delco, Litton, and Northrop Grumman //Proceedings of Anniversary Workshop on Solid-State Gyroscopy (19-21 May, 2008. Yalta, Ukraine).
   7 стр., 3364 слов

   Методы исследования мочевыделительной системы

   ... несущие сперму. Методы исследования работы Мочевыделительной системы Ультразвуковое исследование (УЗИ) мочевыделительный система мочеточник мочеиспускательный Ультразвуковое исследование (УЗИ) -- неинвазивное исследование организма человека ... средства. Цистография Цистография - это рентгенологический метод исследования мочеполовой системы, получение на рентгеновском снимке изображения мочевого ...

   — Kyiv-Kharkiv. ATS of Ukraine. 2009. — ISBN 978-976-02-5248-6.

10. Sarapuloff S.A. 15 Years of Solid-State Gyrodynamics Development in the USSR and Ukraine: Results and Perspectives of Applied Theory //Proc. of the National Technical Meeting of US Institute of Navigation (ION) (Santa Monica, Calif., USA. January 14-16,1997).

    — P.151-164.

11. Статья на сайте deepapple.com:«Тайна чипа AGD1 раскрыта, или Гироскоп iPhone 4 под рентгеном» — deepapple.com/news/37653.html
12. Форум IT-профессионалов. Статья:«Гироскоп в смартфоне откроет окно в новое измерение» — habrahabr.ru/blogs/games/95788/

6. Литература

[Электронный ресурс]//URL: https://drprom.ru/referat/giroskopyi/

• Бороздин В. Н. Гироскопические приборы и устройства систем управления: Учеб. пособие для ВТУЗов., М., Машиностроение, 1990.
• Меркурьев И.В., Подалков В.В. Динамика микромеханического и волнового твердотельного гироскопов. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2009. — 228 с. — ISBN 978-5-9221-1125-6
• Гироскопические системы / Под ред. Д. С. Пельпора. В 3 ч. М.: Высш. шк., 1986—1988. Ч. 1: Теория гироскопов и гироскопических стабилизаторов.1986; Ч. 2: Гироскопические приборы и системы. 1988; Ч. 3: Элементы гироскопических приборов. 1988
• Павловский М. А. Теория гироскопов: Учебник для ВУЗов., Киев, Вища Школа, 1986.
• Сивухин Д. В. Общий курс физики. — Издание 5-е, стереотипное. — М .: Физматлит, 2006. — Т. I. Механика. — 560 с. — ISBN 5-9221-0715-1

7. Кафедры

8.1. Российская Федерация

• Сайт каф. «Автоматика и электронное приборостроение» КАИ им. А. Н. Туполева — au.kai.ru
• Сайт каф. «Приборы и системы ориентации, стабилизации и навигации» МГТУ им. Н.Э Баумана — iu2.bmstu.ru
• Сайт каф. «Автоматизированные комплексы ориентации и навигации» Московского авиационного института — www.mai.ru/colleges/fac_3/kaf/k305/
• Сайт каф. «Информационно-навигационных систем» СПбГУ ИТМО — www.elektropribor.spb.ru/IFMO/index.html
• Сайт каф. «Теоретической механики» СГАУ — пособие Петрищев В. Ф. «Элементы теории гироскопа и его применение для управления космическими аппаратами» — www.termech.ru/index.php?option=com_content&task=view&id=71&Itemid=36
• Официальный сайт «Института Энергомашиностроения и Механики», Московского Энергетического Института (ТУ) — www.enmi.ru/
• Сайт каф. «Приборы и системы ориентации, стабилизации и навигации» ТулГУ — www.gyroscopes.ru/?id=33
• Сайт каф. «Приборостроение» СГТУ — sstu.ru/node/3062
• Сайт кафедры «Приборостроение» ЮУрГУ — instrcon.susu.ac.ru/

Тема работы Разработка системы автоматизированного управления ...

... проекта/работы, магистерской диссертации) ФИО Виноградцев Дмитрий Николаевич Тема работы: Разработка системы автоматизированного управления блока сепарации установки комплексной подготовки нефти Утверждена приказом директора (дата, номер)??? Срок сдачи ... степень, звание Подпись Дата ИКСУ Лиепиньш А. В. к.т.н. 5 6 РЕФЕРАТ ВКР содержит 103 страниц машинописного текста, 22 таблицы, 20 рисунков, список ...

8.1.2. Украина

• Сайт каф. «Приборы и системы управления летательными аппаратами, НТУУ «КПИ» — www.faks.ntu-kpi.kiev.ua/pskla/
• Сайт каф. «Приборы и системы ориентации и навигации», НТУУ «КПИ» — pson.kiev.ua/
• Сайт каф. «Системы управления летательными аппаратами» ХАИ им. Н. Е. Жуковского — k301.info

8.2.3. США

8.3.4. Франция

8.4.5. Германия

См. также

• Складывание рамок
• Гироскопия

Данный реферат составлен на основе .