Гіроскоп: відмінності між версіями

[неперевірена версія][неперевірена версія]
Вилучено вміст Додано вміст
Немає опису редагування
Рядок 1:
[[Файл:3D_Gyroscope.png|thumb|Гіроскоп]]
'''Гіроско́п''' (від {{lang-grc|γῦρος}} «обертання» і {{lang-grc2|σκοπέω}} «дивитися») - — пристрій, здатний реагувати на зміну орієнтації основи, на якій його встановлено, відносно інерціального простору.
 
Термін уперше введений Жаном (Бернаром Леоном) Фуко в його доповіді в 1852 році Французькій Академії Наук. Доповідь було присвячено способам експериментального виявлення обертання Землі в інерціальному просторі. Цим і зумовлено назву «гіроскоп».
 
У більш традиційному розумінні '''гіроскоп''' — [[пристрій]], що містить швидкообертове тверде тіло, яке має три обертальні ступені вільності, тобто можливість обертання навколо трьох взаємно-перпендикулярних осей. Усім відома дитяча іграшка - — дзиґа, яка являє собою приклад гіроскопа.
 
Вісь у тілі (роторі) гіроскопа, навколо якої гіроскопу надано швидкого обертання, називають головною віссю гіроскопа або віссю власного обертання (англ. {{lang- en|spin axis}}).
 
Гіроскоп має три характерні властивості:
Рядок 16:
Усі ці властивості суттєво визначаються величиною кутової швидкості власного обертання гіроскопа та його моментом інерції.
 
Сучасні гіроскопи ґрунтуються на вимірюванні вібраційних та хвильових параметрів резонаторів різних типів (механічних, оптичних тощо). Принципи їхньої дії ґрунтуються на ефектах Саньяка, Фермі, Брайана (інерції стоячих хвиль у пружному кільці та у вісесиметричнихосесиметричних оболонках), ефекті інерції поляризації пружних хвиль зсуву тощо.
 
Прилади, що використовують властивості гіроскопа, застосовуються в ряді галузей науки і техніки, зокрема в системах навігації і системах керування рухомих транспортних засобів (суден, літальних і космічних апаратів, ракет, торпед тощо).
Рядок 22:
== Історія ==
 
Перші свідчення про дзигу та її незвичайні властивості відомі з давніх-давен. До нас дійшли такі іграшки, виготовлені в Китаї у третьому тисячолітті до нової ери. Властивості дзиги - — її стійкість (незмінність напрямку у просторі осі власного обертання і надзвичайна опірність зовнішнім діям) і прецесія (повільне обертання осі власного обертання дзиги під дією моменту сил) - — стали підгрунтям створення на її основі цілої низки приладів і пристроїв, які називають гіроскопічними.
 
Першу, згадану в літературі, спробу використати властивості дзиги у практичних цілях зроблено у 1742-1743 рр. [2], коли англійський механік Д. Серсон створив прилад, який мав під час вимірювання висот світил секстантом вказувати площину горизонту. У цьому приладі перевернута металева чаша, що спиралася на шпильку, приводилася в обертання шнуром, а відполіроване плоске дно чаші прислуговувалося як площина горизонту. Хоча перші випробування були успішними, проте цей прилад не набув поширення через трагічні обставини, за яких загинув і корабель, і сам винахідник.
Рядок 31:
 
Ще більш поширеним застосуванням гіроскопа було створення гіроскопічного компаса. Німецький фізіолог і географ Г. Аншютц-Кемпфе у 1908 р. побудував перший гіроскопічний компас, а в березні-квітні 1909 р. цей гірокомпас успішно пройшов випробування на лінкорі "Дойчланд". Теоретичну частину проекту виконував Макс Шюлер. У 1910 р. він опрлюднив винайдену ним умову незбурюваності маятникового гіроскопічного компаса (умову Шюлера). Коли гірокомпас Аншютца вже був прийнятий на озброєння германського і британського флотів, виявилося, що його покази містять неприпустимі похибки, коли судно йшло "інтеркардинальним" курсом (тобто під 45 градусів до сторін світу) та одночасно зазнавало значної бортової хитавиці. Тому гірокомпаси були повернуті виробнику з рекламаціями, перший гірокомпас Аншютца прозвали "гірокомпасом для доброї погоди". Це змусило М. Шюлера більш уважно вивчити вплив хитавиці на роботу приладу, внаслідок чого був розроблений новий тригіроскопний гірокомпас. Уже в 1913 р. тригіроскопний гірокомпас Аншютца був випробуваний у морі і показав добрі результати [4].
У період 1915-1927 рр. були побудовані і застосовувалися на флоті і в авіації гіроскопічні вертикалі (гірогоризонти), найкращими зразками яких були гіровертикаль Аншютца з неперетинними осями карданового підвісу, а також гіровертикалі Сперрі - — з повітродувною корекцією і з кульовим гіроскопом у газодинамічному підвісі. У 1927 р. фірма "Аншютц" випустила новий двороторний гірокомпас, що став згодом основою для створення багатьох інших приладів, які чудово зарекомендували себе у практиці судноплавства.
 
Із розвітком флоту постало актуальне завдання створення точного штучного горизонту, який би незначно збурювався під час маневрування корабля. Г Аншютц-Кемпфе зробив ще один крок у напрямі надання незбурюваності своєму компасу - — перебудував двороторний компас у такий спосіб, щоб у ньому умова Шюлера виконувалася і щодо коливань маятника навколо полуденної лінії. В результаті у 1931 р. був створений гірогоризонткомпас. Його призначення - — вимірювати кути хитавиці і рискання корабля задля керування стрільбою по невидимих цілях.
 
На флоті, в авіації, ракетній і космічній техніці набули поширення прилади, що грунтуються на властивості вільного астатичного гіроскопа зберігати напрямок осі власного обертання відносно "нерухомих зірок". В 1940-х роках був створений комплект із двох вільних гіроскопів і застосований для керування польоту балістичної ракети V-2 (Німеччина). Наразі комплект з трьох вільних високопрецезійних гіроскопів типу "зірка у пляшці" використовується для псевдоастрономічного визначення положення на поверхні Землі підводних кораблів під час довготривалого підводного плавання.
Рядок 43:
У 1924 р. С. А. Ноздровський запропонував силовий гіроскопічний стабілізатор з розвантажувальним двигуном [5]. Порівняно з вільним гіроскопом така конструкція має ту перевагу, що дає можливість навантажувати вісь стабілізіції моментами зовнішніх сил. Це дозволяє розміщувати на зовнішній рамці тіла, що стабілізуються (наприклад, маятник, фотознімальну апаратуру чи акселерометр), і встановлювати на осі стабілізації різні датчики.
 
Силовий гіростабілізатор спочатку використовували як гіроскоп напрямку на літаках. Згодом для стабілізації тіла навколо двох або трьох ортогональних осей почали застосовувати спочатку двовісний, а потім і тривісний силові гіростабілізатори. Двовісний використовували як гіровертикаль, для чого на стабілізованій платформі розміщували маятники, які керують через електричні сигнали датчиками моментів по осях прецесії гіроскопів. За допомогою такого пристрою стабілізували й тіла великої маси, наприклад, кулемет. Тривісний гірокомпас містив гіровертикаль і розміщений на її площадці одновісний гіростабілізатор - — гіроазимут. Цей прилад - — гіроазимутгоризонт - — дозволяв за допомогою слідкувальних сервоприводів і перетворювачів полярних координат стабілізувати різні пристрої на кораблі (візири, знаряддя), а також виробляти дані, потрібні для керування артилерійською стрільбою. На літаках подібні прилади виконують аналогічні функції, їх також використовують як датчики кутів для автопілота. У кінці 1940-х років у зв'язку з передбачуваним використанням гіростабілізаторів у системах навігації намітилася тенденція до різкого підвищення точності цих приладів і передусім до зменшування швидкості дрейфу стабілізованих платформ. У 1950-х роках визначився розвиток двох типів гіростабілізаторів - — з трьома двоступеневими або двома вільними (триступеневими) гіроскопами як чутливими елементами. У результаті стало можливим використання гіроскопічних пристроїв задля побудови інерціальних систем керування рухомими об'єктами не тільки короткочасної, але й порівняно довготривалої дії.
 
Від початку розвитку гіроскопічної техніки виникла потреба замінити астрономічне визначення місцеперебування, яке потребує спостереження світил і горизонту, роботою механічної системи, що містить гіроскопи, маятник і годинник. Цю ідею було втілено у заявках на винахід М. Керрі (1903), В. Алексєєва (1911) і Ф. Свині (1911). У запропонованих ними пристроях два вільні гіроскопи вказували незмінні відносно зірок напрямки, а гіромаятник - — вертикаль. Користуючись цими засобами, знаючи точку відправлення судна і враховуючи за допомогою хронометра кут повороту Землі відносно зірок за час руху, можна визначати поточне географічне місце перебування корабля подібно до того, як це робиться за допомогою секстанта. На цій основі у другій половині XX ст. були створені досконалі інерціальні навігаційні системи. У 60-ті рр. XX ст., коли обчислювальна техніка досягла досить високого рівня розвитку, почалося детальне розроблення "безплатформових" інерціальних навігаційних систем, чутливі елементи яких - — гіроскопи та акселерометри - — розміщуються безпосередньо на борті об'єкта (без гіростабілізатора).
 
Однороторний гіроскопічний компас застосовують і для визначення площини орбіти штучних супутників Землі. Конструкція такого гіроприладу, який отримав назву гіроорбітанта (гіроскопічної орбіти), через роботу його у специфічних умовах відрізняється від конструкції морських гірокомпасів.