В этой статье мы расскажем об одном из ключевых изобретений, лежащих в основе современной навигации, — гироскопе. Как говорится, великое начинается с малого.
Рождение «наблюдателя вращения»
История прибора началась 27 сентября 1852 года, когда французский физик Леон Фуко представил Парижской академии наук своё устройство. Он назвал его гироскопом, соединив греческие слова «гирос» (вращение) и «скопео» (наблюдаю). В отличие от простого волчка, ротор (маховик) его прибора был помещён в карданов подвес, что обеспечивало ему полную свободу вращения относительно основания. Изначально Фуко создавал гироскоп для экспериментального доказательства вращения Земли, но впоследствии сфера его применения оказалась куда шире.
Когда технарю доверили пожарить мясо
Шутливая иллюстрация помогает представить принцип, но на самом деле прибор Фуко выглядел иначе, как показано на следующих исторических изображениях.
Научная основа и устройство
Работа гироскопа основана на теореме Леонарда Эйлера: быстро вращающееся тело с неподвижной точкой, на которое не действуют внешние силы, сохраняет неизменным направление своей оси вращения в пространстве.
Давайте разберёмся в конструкции. Неподвижная точка — это место пересечения оси вращения маховика и осей колец карданова подвеса. Наружное кольцо подвеса может свободно поворачиваться относительно корпуса, внутреннее кольцо — относительно наружного, а маховик — относительно внутреннего кольца. Таким образом, маховик обладает тремя угловыми степенями свободы относительно корпуса, что и определяет его уникальные свойства.
А еще это наш разработчик, когда ТЗ от клиента составлено специфично
Такие гироскопы называются трёхстепенными. Если центр масс всей системы совпадает с неподвижной точкой, гироскоп считается уравновешенным (астатическим). Процесс достижения этого баланса — балансировка — был одной из сложнейших задач, с которой столкнулся Фуко.
Эволюция и современное разнообразие
Опыты Фуко дали мощный импульс развитию гироскопической техники. С появлением электродвигателей маховик стали раскручивать с их помощью, и уже в 1865 году Императорская академия наук Санкт-Петербурга продемонстрировала электрический гироскоп.
Где-то в Императорской академии
Сегодня термин «гироскоп» охватывает огромный класс устройств, в которых используется объект, совершающий быстрые периодические движения. Это могут быть не только механические системы с твёрдыми телами, жидкостями или газами, но и квантовые устройства, использующие свойства элементарных частиц. Современная классификация включает оптические (лазерные, волоконно-оптические), волновые, роторные и кориолисовые гироскопы.
Применение: от космоса до кармана
Сложно переоценить практическую ценность этого изобретения. Гироскопы стабилизируют космические аппараты, обеспечивают навигацию кораблей и самолётов. Но самое удивительное — они стали частью нашей повседневности, работая в мобильных телефонах и игровых приставках. Конечно, в смартфоне установлен не громоздкий прибор Фуко, а миниатюрный микроэлектромеханический датчик (МЭМС), создание которых является областью нашей специализации.
Надеемся, этот рассказ был для вас познавательным!
С уважением,
Лаборатория Микроприборов!
При подготовке материала использована информация из книги В.Я. Распопова «Теория гироскопических систем. Инерциальные датчики».