Реферат на тему гироскоп

Обновлено: 04.07.2024

на законе сохранения вращательного момента (момента импульса).

Гироско́п, навигационный прибор, основным элементом которого является

быстро вращающийся ротор, закрепленный так, что ось его вращения может

поворачиваться. Три степени свободы (оси возможного вращения) ротора

гироскопа обеспечиваются двумя рамками карданова подвеса. Е сли на такое

устройство не действуют внешние возмущения, то ось собственного вращения

ротора сохраняет постоянное направление в пространстве. Если же на него

действует момент внешней силы, стремящийся повернуть ось собственного

вращения, то она начинает вращаться не вокруг направления момента, а вокруг

Гироскопический эффект создается той же самой центробежной силой, которая

действует на юлу, вращающуюся, например, на столе. В точке опоры юлы о

стол возникают сила и момент, под действием которых ось вращения юлы

отклоняется от вертикали, а центробежная сила вращающейся массы,

препятствуя изменению ориентации плоскости вращения, вынуждает юлу

вращаться и вокруг вертикали, сохраняя тем самым заданную ориентацию в

Таким вращением, называемым прецессией, ротор гироскопа отвечает на

приложенный момент силы относительно оси, перпендикулярной оси его

собственного вращения. Вклад масс ротора в этот эффект пропорционален

квадрату расстояния до оси вращения, поскольку чем больше радиус, тем

больше, во-первых, линейное ускорение и, во-вторых, плечо центробежной

силы. Влия ние массы и ее распределения в роторе характеризуется его

составляющих его масс на квадрат расстояния до оси вращения. Полный же

гироскопический эффект вращающегося ротора определяется его

секунду) на момент инерции относительно оси собственного вращения ротора.

Кинетический момент – векторная величина, имеющая не только численное

значение, но и направление. На рис. 1 кинетический момент представлен

стрелкой (длина которой пропорциональна величине м омента), направленной

подается буравчик, если его поворачивать в направлении вращения ротора.

Прецессия и момент силы тоже характеризуются векторными величинами.

Направление вектора угловой скорости прецессии и вектора момента силы

связано правилом буравчика с соответствующим направлением вращения.

До изобретения гироскопа человеч ество 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

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 ам ериканец Уолтер Р. Джонсон приду мал

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

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

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 и нженером Обри для стабилизации курса

торпеды. В XX веке гироскопы стали использоваться в самолётах, ракетах и

подводных лодках вместо компаса или совместно с ним.

Основные типы гироскопов по количеству степеней свободы:

Однако одно и то же устройство может работать в разных режи мах в

Гироскоп чаще всего применяется как чувствительный элемент указывающих

гироскопических приборов и как датчик угла поворота или угловой скорости

для устройств автоматического управления. В некоторых случаях, например в

гиростабилизаторах, гироскопы использу ются как генерат оры момента силы

Основные области применения гироскопов – судоходство, авиация и

космонавтика. 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 м огут 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

Гироскопы разного назначения (навигационные, силовые) выпускаются разных

типоразмеров в зависимости от условий работы и требуемой точности. В

гироскопических приборах диаметр ротора составляет 4–20 см, причем

меньшее значение относится к авиационно-космическим приборам. Диаметры

же роторов судовых гиростабилизаторов измеряются метрами.

Среди механических гироскопов выделяется ро́торный гироско́п — быстро

вращающееся твёрдое тело, ось вращения которого способна изменять

ориентацию в пространстве. 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

Впервые это свойство использовал Фуко в 1852 г. для экспериментальной

демонстрации вращения Зем ли. Именно благодаря этой демонстрации гироскоп

При воздействии момента внешней силы вокруг оси, перпендикулярной оси

вращения ротора, гироскоп начинает поворачиваться вокруг оси прецессии,

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

Данное свойство напрямую связано с возникновением так называемой

кориолисовой силы. Так, при воздействии м омента внешней силы гироскоп

поначалу будет вращаться именно в направлении действия внешнего м омента

(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 м оменту направлении, то есть прецессировать. Прецессия

вызовет кориолисову силу, момент которой скомпенсирует момент внешней

Гироскопический эффект вращающихся тел есть проявление коренного

Упрощённо, поведение гироскопа описывается уравнением:

где векторы M и L являются, соответственно, моментом силы, действующей на

гироскоп, и его моментом импульса, скаляр I — его моментом инерции,

векторы ὼ и ɛ угловой скоростью и угловым ускорением.

Отсюда следует, что момент силы M , приложенный перпендикулярно оси

вращения гироскопа, то есть перпендикулярный L , приводит к движению,

перпендикулярному как M , так и L , то есть к явлению прецессии. Угловая

скорость прецессии ᾩ гироскопа определяется его моментом импульса и

то есть ᾩ обратно пропорциональна скорости вращения гироскопа.

Освоение технологии изготовления 3 D механических структур с

использованием оборудования, применяемого в микроэлектронике, открыло

путь к созданию сверхминиатюрных электромеханических систем. Это новое

направление в области приборостроения получило название технологии

МЭМС (микроэлектромеханических систем). Наиболее сложными МЭМС

устройствами являются микромеханические гироскопы (ММГ), появившиеся на

Работы по созданию ММГ начались с 1990-х г. в ряде ведущих лабораторий и

институтов зарубежных стран. В настоящее время несколько крупных

зарубежных фирм серийно выпускают ММГ низкого класса точности,

например, Analog Devices, Epson, BAE, Honeywell, Bosch и др.

В зарубежных странах ММГ используются в автомобильной промышленности,

робототехнике, системах стабилизации различных объектов от беспилотных

Повышение точности ММГ позволит использовать их в новых областях

гражданской и военной техники, в частности для обеспечения навигации и

управления малыми подвижными объектами. Примерами таких объектов

являются беспилотные летательные аппараты или “интеллектуальные

В России разработка ММГ находится на этапе изготовления и исследования

опытных образцов. Однако важность этого направления приб оростроения

подтверждается списком критических технологий, утвержденным президентом

России 21.05.2006 (п.п.11 и 23). В настоящее вре мя русские производители

миниатюрных интегрированных систем используют зарубежную элементную

базу (например, система ST A30 разработки НТЦ “РИССА”). Производство

отечественных ММГ позволит заместить и мпортируемую технику и снизить

зависимость разработчиков от зарубежных поставщиков.

Принцип действия ММГ основан на измерении вторичных колебаний

инерционной вибрирующей массы, которые возникают под действием

кориолисовых сил инерции при вращении основания. Одним из эффективных

способов увеличения точности в таких гироскопах является использование

резонансных свойств чувствительного элемента (ЧЭ) датчика. При этом

первичные колебания возбуждаются на собственной частоте его механического

резонанса. Максимальная чувствительность датчика достигается при равенстве

собственных частот первичных и вторичных колебаний. Однако погрешности

изготовления не позволя ют обеспечить такую настройку с необ ходимой

точностью. Кром е того, приборы с резонансной настройкой имею т очень узкую

полосу пропускания. Специалисты считают, что наиболее эффективный путь

повышения точности – это созд ание приборов с активным управлением

Вопросам разработки высокоточных ММГ и повышения их точности

посвящено множество статей и патентов, при этом в большей их части

объектом исследований и разработки являются приборы прям ого типа

Публикации о принципах создания высокоточных ММГ компенсационного

типа носят более поверхностный или фрагментарный характер, что

обусловлено, по всей видимости, стремлением авторов защитить свои “ноу-

хау”, а так ж е тем, что высокоточные ММГ являются в ряде стран (США,

Франция, Германия, Великобритания) продукцией двойного назначения.

Среди доступных публикаций можно отметить стандарт IEEE 1431-2004 по

испытаниям ММГ, а также статьи зарубежных исследователей Geen J., Ward P,

В России публикаций о разработках ММГ существенно меньше. Причиной

этого является несовершенство отечественной технологической базы и

недостаточное финансирование проектов. Разработки ММГ ведутся в ГНЦ

ФГУП “ЦНИИ “Электроприбор””, ЗАО “Гирооптика”, Раменском РПКБ, на

кафедрах университетов>СПб ГУАП, МИЭТ, ТРТУ и др. Из отечественных

публикаций можно отметить монографии В.Я. Распопова и А.С.

Неаполитанского, статьи А.М. Лестева, Л.П. Несенюка, М.И. Е встифеева, С.Г.

Кучеркова, Л.А.Северова, В.К. Пономарева, А.И. Панферова, Я.А. Некрасова,

Ю.В. Шадрина, В.Э. Джашитова, Ю.А. Чаплыгина, Д.П. Лукьянова, А.П.

Приведены результаты математического моделирования, исследования

динамики и погрешностей, ударных воз действий, разработки конструкций и

отработки технологических процессов изготовления микромеханических

гироскопов. В системах управления робототехнических комплексов в качестве

датчиков первичной инф ормации все более широкое применение получают

микромеханические гироскопы (ММГ). ММГ характеризуются сверхмалыми

массой и габаритами, малым энергопотреблением, чрезвычайно низкой

стоимостью и, вместе с тем, высокой устойчивостью к внешним воздействиям.

Просто о сложном. Что такое гироскоп.

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Совсем недавно, наблюдая за игрой своей маленькой сестрёнки у меня возник вопрос, а почему всем знакомая игрушка, как юла, с которой играли ещё мои прабабушки и прадедушки может так долго крутиться не падая. Как юла удерживает равновесие? Я решил разобраться с этим вопросом и начал своё исследование.

Целью исследования является определение значения и роли гироскопа в XXI веке.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

выяснить историю возникновения гироскопа;

определить и описать возможности использования гироскопа в наш век роботов в гаджеты;

дать анализ возможностей использования гироскопа в будущем.

Гипотеза исследования заключается в том, что в наше время гироскоп встречается повсеместно и будет незаменим в будущем!

Основными методами исследования являются наблюдение и эксперимент. Также в работе использованы сравнительный метод, благодаря которому я исследовал особенности использования гироскопа в различных устройствах.

А также изучение теоретических материалов. Проведение опытов.

Историческая справка

Своё исследование я решил начать со сбора информации об одной из самых любимых и популярных игрушек разных поколений – юлы или как ее раньше называли – волчок. Игрушка имеет богатую историю. Еще в каменном веке дети играли подобием волчка. Это была пластинка из роговой кости. В Австралии аборигены изготавливали волчки из дерева в форме рыбы. Древние славяне предпочитали делать конусообразные деревянные волчки, которые раскачивались с помощью длинной веревочки. За время существования было придумано более ста вариаций юлы. В разных странах юла называется по-разному: в Испании – пеон, в Южной Америке – пеонца, в Мексике – тромпо. В древней Японии волчки были неотъемлемым атрибутом актеров и фокусников, которые показывали с их помощью завораживающие иллюзионные шоу. Юлой играли все народы мира, и история этой игрушки насчитывает не меньше шести тысячелетий. Вот только некоторые примеры применения волчка разными народами:

Древние греки не только играли с волчками – это было ещё и спортом, о чём свидетельствуют сохранившиеся до наших дней письменные источники и рисунки, которые изучали антропологи.

Древние японцы использовали волчки на зрелищных показах иллюзий и фокусов.

Африканцы и некоторые другие народы применяли волчки не только в играх – они использовались в качестве веретена для пряжи и в других рабочих целях.

Очевидно, что волчок использовали самыми разными способами практически все народы независимо друг от друга, но люди склонны всё совершенствовать и находить во всём новые грани применения. Волчок совершенствовался, усложнялся, люди выдумывали новые технические способы сделать устройство эстетичнее и интереснее, привлекательнее для игр и соревнований. В какой-то момент времени появилось нечто отдалённо похожее на современную юлу: тяжёлый, крупный волчок с удлинённым стержнем. Игрушку старались делать так, чтобы она была более устойчивой, и чтобы она вращалась всё дольше и дольше, - для этого ей добавляли специальные ручки, а зимой крутили на гладком льду.

Из литературы я узнал, что эта волшебная игрушка, которая чудесным способом сохраняет стойкость при вращении, имея только одну точку опоры, является простейшим примером гироскопа. А что же такое гироскоп, возник у меня следующий вопрос.

Что такое гироскоп?

Из энциклопедии я узнал, что г ироскоп – прибор, имеющий свободную ось вращения и способный реагировать на изменение углов ориентации тела, на котором он установлен. При вращении гироскоп сохраняет свое положение неизменным. Так вот у гироскопа есть быстр вращающаяся часть - ротор, которая тоже представляет собой волчок, только с утолщенными краями. Он больше похож на йо-йо, чем на юлу. И это волчок закреплен в специальный подвес, в котором рамки вращаются в горизонтальных, вертикальных или угловых плоскостях.

Фуко сильно раскрутил волчок и прильнул глазом к микроскопу. Прошло несколько секунд. Стрелка дрогнула. Кончик её чуть переместился. Учёный затаил дыхание. Всё происходило так, как он и предполагал.

Земной шар поворачивался. Вместе с ним поворачивался и стол, и стойка. Кольцо же со стрелкой оставалось на месте, повернуться ему не позволял волчок.

Виды гироскопов

Основные типы гироскопов по количеству степеней свободы:

Основные два типа гироскопов по принципу действия:

Первыми появились механические приборы, от которых и пошло изучение гироскопического эффекта. Однако сфера использования таких устройств ограничена и не позволяет их интегрировать в современную технику, которая нуждается в ориентире для определения положения в пространстве. Вследствие этого появилась оптическая группа гироскопов.

Данные приборы представляют собой классическую конструкцию. Наиболее ярким представителем данной группы является роторный гироскоп. Он представляет собой быстро вращающееся твердое тело. Его ось вращения может свободно изменять свою ориентацию в пространстве. Во время работы устройства скорость вращения его центрального элемента значительно превышает обороты по другим осям. Благодаря этому роторный прибор способен сохранять направление оси вращения даже при воздействии на корпус устройства внешних сил. При попытке переместить прибор наблюдается эффект сопротивления.

Рассмотрим самый распространенный пример - механический роторный гироскоп. По сути это волчок, вращающийся вокруг вертикальной оси, которая поворачивается вокруг горизонтальной оси и в свою очередь закреплена в еще одной раме, поворачивающейся уже вокруг третьей оси. Как бы мы не поворачивали волчок, он всегда будет находится именно в вертикальном положении.В упрощенном варианте изложения принципа работы классического устройства его можно сравнить с обыкновенным детским волчком. Центральный элемент прибора вращается по своей вертикальной оси, при этом он фиксируется в рамке. Последняя способна поворачиваться только по горизонтальной оси. Она закрепляется в еще одной рамке, которая может оборачиваться вокруг третьей оси. Такая конструкция прибора позволяют его центральному элементу всегда находиться в вертикальном положении, вне зависимости от того как будет поворачиваться корпус гироскопа.

1 эксперимент . Я раскрутил гироскоп и поставил его в коробку, затем наклонил ее. Гироскоп сохранил положение своей оси. Вывод: гироскоп сохраняет неизменной положение оси в пространстве.

2 эксперимент. Я раскрутил гироскоп и толкнул его рукой. Он не упал, а переместился и продолжил вращение. Вывод: гироскоп устойчив к ударным воздействиям.

3 эксперимент.

Раскрутив гироскоп, я наклонил его относительно оси вращения, он наклонился и продолжил вращение, а спустя время, вращаясь, он, вернулся в исходное положение. Вывод: Гироскоп обладает необычной реакцией на действие внешней силы.

Практическое применение гироскопа

Благодаря своим свойствам гироскопы находят широкое применение в повседневной жизни. В космических аппаратах, в системах навигации кораблей и самолетов, в игровых приставках, в качестве тренажеров, детских аттракционах, например, таких как гироскутер и даже в мобильных устройствах. А еще мой папа пользуется навигатором, в нем тоже есть гироскоп. Следующим этапом моего исследования было посещение Механико-технологического факультета университета ЮУРГУ. Где мне удалось побеседовать со Смирновым Владимиром Алексеевичем (Доцент, кандидат технических наук)

Гироскоп так же широко используется в:

Мобильных устройствах и прочая подобная техника.

Системах стабилизации видеокамер.

Гироскопу даже установлен памятник .

Изготовление и проверка работы гироскопа

Изучив информацию о гироскопах, оказалось, что его можно сделать своими руками. Например, волчок Кларка. Это игрушка-волчок английского изобретателя Р. Кларка.

Гироскоп — это устройство, предназначенное для измерения углов ориентации тела / объекта относительно поверхности земли. Он позволяет узнать направление движения объекта, на котором он установлен, угол его наклона / поворота. В каком положении сейчас находится объект, к примеру, смартфон сейчас в горизонтальном, вертикальном или каком-либо другом положении / наклоне.

История

Применение гироскопов.

Классификация

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

механические гироскопы,
оптические гироскопы.

датчики угловой скорости,
указатели направления.

Механические Гироскопы

Схема простейшего механического гироскопа в карданном подвесе.

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.
Поведение гироскопа описывается уравнением:

где векторы и являются, соответственно, моментом силы, действующей на гироскоп, и его моментом импульса, скаляр I — его моментом инерции, векторы и угловой скоростью и угловым ускорением.
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.

Вибрационные гироскопы

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: , а положение грузика в плоскости — . Внеплоскостное движение , вызываемое поворотом гироскопа равно:

— масса колеблющегося грузика.
— коэффициент жёсткости пружины в направлении, перпендикулярном плоскости.
— величина поворота в плоскости перпендикулярно движению колеблющегося грузика.

Разновидности

Пьезоэлектрические гироскопы.
Твердотельные волновые гироскопы.
Камертонные гироскопы.
Вибрационные роторные гироскопы
МЭМС гироскопы.

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.

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.
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.

Системы стабилизации

Система силовой стабилизации (на 2-степенных гироскопах).

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

Система индикаторной стабилизации (на 3-степенных гироскопах)

Новые типы гироскопа.

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.
В настоящее время известно более ста различных явлений и физических принципов, которые позволяют решать гироскопические задачи. В России и США выданы тысячи патентов и авторских свидетельств на соответствующие открытия и изобретения.
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. (как и в развитии компьютеров)

Перспективы развития гидроскопического 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.
Сейчас разрабатывается система навигационных спутников третьего поколения. Она позволит определять координаты объектов на поверхности Земли с точностью до единиц сантиметров в дифференциальном режиме, при нахождении в зоне покрытия корректирующего сигнала DGPS. При этом якобы отпадает необходимость в использовании курсовых гироскопов. Например, установка на крыльях самолета двух приемников спутниковых сигналов, позволяет получить информацию о повороте самолета вокруг вертикальной оси.
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.
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.

Заключение

В своём реферате я постарался наиболее доступно изложить теоритеческие основы гироскопа, а также рассказать где и как он применяется. Знакомство с моим рефератом позволит читателю приобрести наиболее полные знания о гироскопе и о его применении.

Однажды я наблюдал разговор двух друзей, точнее подруг:

А: О, знаешь, у меня новый смартфон, в нем есть даже встроенный гироскоп

Б: Аа, да, я тоже скачала себе, поставила гироскоп на месяц

А: Эмм, ты точно уверена, что это гироскоп?

Б: Да, гироскоп для всех знаков зодиака.

Чтобы таких диалогов в мире стало чуть меньше, предлагаем узнать, что такое гироскоп и как он работает.

Гироскоп: история, определение

Гироскоп – прибор, имеющий свободную ось вращения и способный реагировать на изменение углов ориентации тела, на котором он установлен. При вращении гироскоп сохраняет свое положение неизменным.

Само слово происходит от греческих gyreuо – вращаться и skopeo – смотреть, наблюдать. Впервые термин гироскоп был введен Жаном Фуко в 1852 году, но изобрели прибор раньше. Это сделал немецкий астроном Иоганн Боненбергер в 1817 году.

Гироскопы представляют собой вращающиеся с высокой частотой твердые тела. Ось вращения гироскопа может изменять свое направление в пространстве. Свойствами гироскопа обладают вращающиеся артиллерийские снаряды, винты самолетов, роторы турбин.

Простейший пример гироскопа – волчок или хорошо всем известная детская игрушка юла. Тело, вращающееся вокруг определенной оси, которая сохраняет положение в пространстве, если на гироскоп не действуют какие-то внешние силы и моменты этих сил. При этом гироскоп обладает устойчивостью и способен противостоять воздействию внешней силы, что во многом определяется его скоростью вращения.

Например, если мы быстро раскрутим юлу, а потом толкнем ее, она не упадет, а продолжит вращение. А когда скорость волчка упадет до определенного значения, начнется прецессия – явление, когда ось вращения описывает конус, а момент импульса волчка меняет направление в пространстве.

Виды гироскопов

Существует множество видов гироскопов: двух и трехстепенные (разделение по степеням свободы или возможным осям вращения), механические, лазерные и оптические гироскопы (разделение по принципу действия).

Применение гироскопов

Благодаря своим свойствам гироскопы находят очень широкое применение. Они используются в системах стабилизации космических аппаратов, в системах навигации кораблей и самолетов, в мобильных устройствах и игровых приставках, а также в качестве тренажеров.

Интересует, как такой прибор может поместиться в современный мобильный телефон и зачем он там нужен? Дело в том, что гироскоп помогает определить положение устройства в пространстве и узнать угол отклонения. Конечно, в телефоне нет непосредственно вращающегося волчка, гироскоп представляет собой микроэлектромеханическую систему (МЭМС), содержащую микроэлектронные и микромеханические компоненты.

Как это работает на практике? Представим, что вы играете в любимую игру. Например, гонки. Чтобы повернуть руль виртуального автомобиля не нужно нажимать никаких кнопок, достаточно лишь изменить положение своего гаджета в руках.

Как видим, гироскопы – удивительные приборы, обладающие полезными свойствами. Если вам понадобится решить задачу на расчет движения гироскопа в поле внешних сил, обращайтесь к специалистам студенческого сервиса, которые помогут вам справится с ней быстро и качественно!

Читайте также: