Гироскопический эффект что это

Гироскопический эффект и эффект джанибекова

Гироскопический эффект – это удержание (устойчивость) оси вращения объекта в пространстве. Этот эффект зависит от массы объекта, угловой скорости и от распределения моментов инерции. Если моменты инерции распределены немного неравномерно, то от этого будут возникать эффекты прецессии и нутации. Если моменты инерции распределены неравномерно, при этом ещё масса и угловая скорость объекта небольшие, тогда при эффекте прецессии ось объекта сначала описывает небольшую окружность, диаметр который всё время увеличивается. Затем ось объекта сама начинается вращаться в произвольных направлениях (кувыркаться).
Ролик про эффект Джанибекова.
http://video.mail.ru/mail/suadfsh0280849/_myvideo/661.html
Что нам показали в ролике? Объект – барашек, у которого нет никакой равномерности распределения моментов инерции (этот барашек никак не тянет на диск применяемый в гироскопах), при этом масса и угловая скорости очень маленькие. Уж не говорю, что имеется газовая среда сопротивления.
Какой надо обладать безграмотностью и невежеством, чтобы сразу притянуть сюда нашу Землю. Ничего себе аналогия — Земля и барашек?
Да, Земля геоид, но распределение моментов инерции в процентном отношении практически как у шара. Что не идёт ни в какое сравнение с предлагаемым сюжетом.
Земля может потерять устойчивость оси вращения только в результате катастрофы. Но потом всё будет стабилизировано. Прецессия оси вращения укажет на неравномерность моментов инерции (это горы и океанские впадины).
Такая катастрофа с Землёй была, так как ось вращения не совпадает с эклиптикой. В Солнечной системе было множество катастроф и поэтому Венера вращается в обратном направлении, Уран вообще лежит на боку, а от планеты Фаэтон остались только астероиды.

Доклад на Ютубе
http://www.youtube.com/watch?v=eP1iYV96Sr8

Используемые источники:
1. Николаев С.А. “Эволюционный круговорот материи во Вселенной”. 5-ое издание,
СПб, 2009 г., 304 с.

Портал Проза.ру предоставляет авторам возможность свободной публикации своих литературных произведений в сети Интернет на основании пользовательского договора. Все авторские права на произведения принадлежат авторам и охраняются законом. Перепечатка произведений возможна только с согласия его автора, к которому вы можете обратиться на его авторской странице. Ответственность за тексты произведений авторы несут самостоятельно на основании правил публикации и законодательства Российской Федерации. Данные пользователей обрабатываются на основании Политики обработки персональных данных. Вы также можете посмотреть более подробную информацию о портале и связаться с администрацией.

Ежедневная аудитория портала Проза.ру – порядка 100 тысяч посетителей, которые в общей сумме просматривают более полумиллиона страниц по данным счетчика посещаемости, который расположен справа от этого текста. В каждой графе указано по две цифры: количество просмотров и количество посетителей.

Как устроен гироскоп: суть, принцип работы, где применяется

Гироскоп для чайников

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.

Волчок

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).

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.

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.

МЭМС датчик

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!

Как опереться на пустоту?

«Дайте мне точку опоры, и я переверну Землю» — так, по легенде, сказал Архимед, научно объяснив интуитивно понимаемый принцип работы рычага. Но в космическом вакууме опоры нет. А спутникам нужно, чтобы солнечные батареи смотрели на Солнце, антенны — на Землю, камера — на интересный участок Марса, а двигатель для коррекции орбиты — строго в определенную точку пространства. Приходится что-то придумывать, чтобы опереться на пустоту.

Двигатели ориентации

Самый очевидный вариант — поставить специальные небольшие двигатели, которые будут управлять ориентацией аппарата:

Двигатели ориентации лунного модуля

Двигатели можно сделать мощными, чтобы поворачивать тяжелые аппараты или крутиться быстрее, или очень слабыми, чтобы поворачиваться очень точно. Они сравнительно мало весят и не требуют электроэнергии, когда не работают. Все бы хорошо, но для того, чтобы поворачиваться, нужно тратить топливо, а его всегда ограниченное количество. Да и у самих двигателей есть ограничения по количеству запусков и общему времени работы.
Двигатели ориентации можно также использовать для орбитальных маневров, особенно если планируется стыковка. Маршевый двигатель может толкать аппарат только в одну сторону, а с помощью двигателей ориентации можно смещаться по всем осям.

Простота.
Обеспечивают ориентацию по всем трем осям.
Сравнительно небольшая масса.
Гибкость: можно сделать мощные или очень точные двигатели.
Могут использоваться для маневрирования на орбите.
Могут долго находиться в выключенном состоянии.

Расход топлива.
Ограничение по количеству запусков и общему времени работы.
Загрязнение окрестностей аппарата сгоревшим топливом (может быть актуально для телескопов).

Двигатели причаливания и ориентации корабля «Союз» на МАКС-2005. Красное — защитные крышки, которые снимаются перед полетом

Работа ДПО корабля «Союз» во время стыковки с МКС в ускоренном воспроизведении

Стабилизация вращением

Всем нам с детства известна способность волчка сохранять вертикальное положение. Если раскрутить космический аппарат, он будет вести себя совершенно также, сохраняя стабилизацию по оси вращения.

Если нас устраивает стабилизация по одной оси, мы не собираемся поворачивать аппарат в разные стороны и делать фотографии с длинной выдержкой, этот способ может оказаться очень экономным.

Простота.
Экономичность — раскручиваемся один раз и крутимся хоть столетиями.

Стабилизация только по одной оси.
Нельзя поворачивать аппарат.
Вращение может мешать работе оборудования.

Запуск спутника с разгонным блоком PAM-D с борта Спейс Шаттла

После разгона можно было достаточно просто затормозить вращение, используя закон сохранения момента импульса (пример в невесомости, пример на котиках) — небольшие грузы разматывались на тросиках и замедляли вращение аппарата.

Маховик (Reaction wheel)

Начальное состояние: аппарат неподвижен, маховик неподвижен.
Раскручиваем маховик против часовой стрелки, аппарат начинает поворачиваться по часовой стрелке.
Когда повернулись на нужный угол: останавливаем вращение маховика, аппарат останавливается.

Использование маховиков позволяет поворачиваться с высокой точностью и не тратить драгоценное топливо. Но, как и любая другая техническая система, маховики имеют свои недостатки. Прежде всего, один маховик может поворачивать аппарат только по одной оси. Чтобы полностью управлять ориентацией аппарата нужно три маховика. А учитывая необходимость резервирования, шесть или больше. Также, скорость поворота прямо пропорциональна массе маховика и скорости его вращения и обратно пропорциональна массе аппарата. Говоря простым языком, чем больше масса аппарата, тем тяжелее должны быть маховики. Также, любой маховик имеет предельную скорость вращения и может разорваться, если его раскрутить сильнее. А если возмущающая сила действует на аппарат в одном направлении, то маховик со временем дойдет до предельной скорости, и нужно будет его разгружать какой-нибудь другой системой. Ну и, наконец, как и любая механика, маховик со временем изнашивается и может выйти из строя.

Не требует расхода топлива.
Позволяет очень точно нацеливать аппарат.

Малопригодны для активного маневрирования, вращение сравнительно медленное.
Требуется еще одна система ориентации для разгрузки маховиков.
Со временем изнашиваются и выходят из строя.
На каждую ось нужен минимум один маховик.

Один из маховиков телескопа «Хаббл»

Гиродин (Control moment gyroscope)

Свойство волчка сохранять вертикальное положение можно использовать еще одним способом — на него можно опереться:

Если поместить такой волчок в подвесную систему, то можно, «опираясь» на него, поворачиваться в нужную сторону. Такие конструкции называются силовыми гироскопами или гиродинами. Главное отличие гиродина от маховика — в том, что маховик жестко установлен на одной оси и управляет ориентацией, изменяя скорость своего вращения. Гиродин же установлен в подвесе, который может вращаться в одной или нескольких плоскостях, и может не менять скорость своего вращения. В этом видео наглядно видно движение подвеса, при том, что высота тона вращения гиродина не меняется.

С точки зрения функциональности, гиродин — это «продвинутый» маховик. Гиродины эффективнее обычных маховиков, но и сложнее. Они могут управлять ориентацией гораздо более тяжелых аппаратов, но разделяют достоинства и недостатки маховиков. В этом видео показано, что гиродины, как и маховики, нуждаются в разгрузке — когда ось подвеса не может больше поворачиваться, велосипед начинает падать:

Такие же, как у маховика.
Эффективнее, чем маховик — гиродин той же массы может управлять ориентацией гораздо более тяжелого аппарата.

Такие же, как у маховика.
Сложнее маховика.

Замена гиродина на МКС

Электромагнитная система ориентации

Магнитное поле Земли способно поворачивать стрелку компаса, значит, эту силу можно использовать для того, чтобы управлять ориентацией космического аппарата. Если поставить на спутник постоянные магниты, то действующая сила будет неуправляемой. А если поставить катушки-соленоиды, то, подавая на них ток, можно создавать нужный управляющий момент:

Три соленоида, установленных в перпендикулярных плоскостях, позволяют управлять ориентацией спутника по всем трем осям. Точнее, они обеспечивают хорошее управление по двум осям, стремясь установить аппарат как стрелку компаса. Управление по третьей оси обеспечивается изменением направления магнитного поля Земли при полете аппарата по орбите.

Электромагнитная ориентация не может быть точной из-за случайных колебаний магнитного поля Земли, и ее эффективность падает с высотой. Да и в целом, силы, создаваемые соленоидами, невелики. Также их использование ограничено небесными телами с достаточно сильным магнитным полем, например, на орбите Марса, они практически бесполезны. Зато соленоиды не содержат движущихся частей, не тратят топливо и энергетически эффективны.

Простота.
Не требуют топлива.
Небольшая масса.
Не содержат движущихся частей и практически не изнашиваются.

Небольшие управляющие силы.
Невысокая точность.
Требуется магнитное поле у небесного тела, вокруг которого обращается аппарат.
Эффективность зависит от высоты.

Пример соленоида для космических аппаратов. Сайт производителя утверждает, что уже больше 80 соленоидов стоят на различных спутниках

Гравитационная стабилизация

Притяжение двух тел обратно пропорционально квадрату расстояния между ними. Поэтому, если наш спутник выдвинет длинный шест с грузом, то получившаяся «гантель» будет стремиться занять вертикальное положение, когда ее нижняя часть будет притягиваться к Земле чуть сильнее, чем верхняя. Вот компьютерное моделирование 1963 года (!), показывающее этот эффект:

В первой части видео спутник занимает устойчивое положение по оси к Земле. В реальности случайные возмущения будут нарушать идеальное равновесие, и спутник будет колебаться вокруг оси, поэтому обычно такие системы дополняют демпфером. Небольшая емкость с жидкостью будет превращать энергию колебаний в тепловую и «успокаивать» спутник.

Очень простая система.
Ориентация строится пассивно, без системы управления.

Ориентация строится медленно из-за слабости сил, действующих на тело.
Низкая точность.
Только один тип ориентации — осью к центру Земли.
Эффект падает с высотой.
Спутник может перевернуться «вверх тормашками» относительно нужной ориентации.

Аэродинамическая стабилизация

Следы земной атмосферы заметны и выше ста километров, а большая скорость спутников означает, что они будут сильнее тормозиться. Обычно эта сила очень мешает, потому что спутники достаточно быстро тормозятся, спускаются еще ниже и сгорают в плотных слоях атмосферы. Но, тем не менее, это сила, которая действует всегда против вектора орбитальной скорости, и ее можно использовать. Первые эксперименты были проведены еще в 60-х. Вот, например, отечественный аппарат «Космос-149», запущенный в 1967 году:

Низкая орбита, где аэродинамические силы максимальны, негостеприимное место. Но иногда там необходимо находиться для большей точности измерений. Очень красивое решение было использовано в спутнике GOCE, который изучал гравитационное поле Земли. Низкая орбита (

260 км) сделала эффективной систему аэродинамической стабилизации, а, чтобы спутник не сгорел слишком быстро, он постоянно ускорялся небольшим ионным двигателем. Получившийся аппарат мало похож на привычные спутники, кто-то даже назвал его «спутниковым Феррари»:

Благодаря ионному двигателю GOCE смог проработать с 2009 по 2013 годы, составив самую подробную гравитационную карту Земли.

Аэродинамическая сила бесплатна и не требует специальной системы управления.

Надо что-то делать, чтобы спутник не сгорел быстро в плотных слоях атмосферы.
Сила зависит от высоты.
Возможна ориентация только по одной оси.

Солнечный парус

Для построения ориентации можно еще использовать давление солнечного света. Солнечный парус обычно рассматривается как способ движения, но на спутник сложной формы с антеннами и солнечными батареями Солнце тоже будет действовать. Это может рассматриваться как помеха для других систем ориентации, либо, если разработчики рассчитали моменты сил заранее, это можно использовать для помощи построения ориентации спутника. Уже в 1973 году зонд Маринер-10, отправившийся к Венере и Меркурию, использовал солнечное давление для построения ориентации аппарата. Вдохновляет находчивость Лаборатории атмосферной и космической физики — когда на телескопе «Кеплер» отказали два из четырех маховиков, лаборатория разработала способ построения ориентации при помощи двух оставшихся маховиков и солнечного давления, чтобы телескоп последовательно рассматривал четыре участка пространства в год:

Очень интересным был отечественный проект Регата-Плазма, разрабатывавшийся в 90-х годах. С помощью солнечного паруса-стабилизатора и поворачивающихся рулей аппарат занимал положение в направлении Солнца и при необходимости мог быть закручен:

Даже сейчас подобная система была бы уникальной и очень интересной, жаль, что проект был закрыт.

Совершенно бесплатное солнечное давление.

Нельзя построить произвольную ориентацию по трем осям.
Не работает в тени, что важно, например, для низкой земной орбиты.

Заключение

Для сил, которые зависят от высоты полета, есть примерный график:

Еще одно видео с котиками и реальными гиродинами NASA.
Более сложное видео по той же теме — «Проектирование системы ориентации и стабилизации» от сообщества «Твой сектор космоса».

По тегу «Незаметные сложности» публикации о двигателях, топливе, баках, стартовых сооружениях и тому подобных интересных, но не очень заметных из-за своей привычности вещах.

Как это работает. Гироскоп

Механизм, изобретенный в начале XIX века, сегодня находит применение практически повсеместно. Гироскопы используются в системах навигации кораблей и самолетов, в мобильных устройствах, игровых приставках и квадрокоптерах. Рассказываем об удивительном гироскопе – его истории, устройстве и принципе действия.

От детского волчка до полетов в космос

В основе многих научных открытий лежит наблюдение за простыми повседневными вещами. Так и один из важных приборов, применяющихся в составе современных устройств, – гироскоп – родился из старинной детской игрушки, известной как волчок. Сильно раскрученный волчок, удерживающий вертикальное положение даже при воздействии на него внешних сил, привлек внимание ученых. Изучая его свойства, люди науки задумывались о практическом применении эффекта. Волчком интересовались англичанин Исаак Ньютон, российский академик Леонард Эйлер, опубликовавший в 1765 году труд «Теория движения твердых тел», и другие ученые.

Foucault

Первые механические гироскопы появились в начале XIX века. Но только в 1852 году французский физик Леон Фуко предложил использовать устройство для контроля изменения направления и дал ему название «гироскоп». Первый промышленный гироскоп был создан в конце XIX века − австрийский инженер Людвиг Обри придумал использовать его для стабилизации курса торпеды.

Следующим шагом в истории гироскопии стало создание лазерного гироскопа. Подготовка к его «рождению» заняла практически весь XX век, ведь для этого нужно было подтянуть квантовую физику и создать новые методы обработки материалов. Разработка лазерных гироскопов началась в 1970-х годах, а массовое применение пришлось на 2000-е. Сегодня мы находимся на этапе развития нового поколения гироскопов – волновых твердотельных и микромеханических.

В наше время гироскопы применяются в самых разных областях: для стабилизации фото- и видеокамер, в мобильных устройствах и игровых контроллерах, в огнестрельном оружии и робототехнике, в гироскутерах и квадрокоптерах, в системах навигации и управления в авиации, на кораблях и в космосе. Современные гироскопы на МЭМС-технологиях могут достигать миллиметровых размеров.

Устройство механического гироскопа

Как мы уже выяснили, гироскопы различаются в зависимости от принципа действия. Волчок, или юла – это простейший вариант механического гироскопа. Если массивный волчок раскрутить до достаточно высокой скорости, он сможет долго простоять в вертикальном положении, пока не затормозится, а также практически не отклоняться по вертикальной оси при применении к нему силы. Волчок не падает благодаря тому, что вращающееся тело стремится сохранить величину своей угловой скорости и направление оси вращения. Свободно вращающийся волчок под воздействием внешней силы отклоняется не в направлении этой силы, а перпендикулярно ей. Это явление называется прецессией.

Рассмотрим устройство на примере чуть более сложного роторного гироскопа с тремя степенями свободы. Подобный гироскоп, способный выполнять роль гирокомпаса, демонстрировал Леон Фуко. Три степени свободы гироскопа обеспечиваются с помощью карданового подвеса. Он состоит из двух колец: большого кольца, которое может вращаться вокруг вертикальной оси, и малого кольца, вращающегося вокруг горизонтальной оси. Внутри малого кольца закрепляется вращающееся тело – ротор. В результате благодаря кардановой системе подвеса ось ротора может иметь любое направление.

Механический гироскоп в движении

Для начала работы ротор раскручивается: чем быстрее раскручено колесо ротора, тем выше его сопротивление изменениям направления оси вращения. Как бы мы ни вращали все устройство, движущийся внутри него ротор сохраняет направление оси вращения в пространстве.

На этих свойствах вращающегося гироскопа основана работа гирокомпаса. Например, в авиации гирокомпас позволяет определять положение самолета в отсутствие ориентиров. Если самолет кренится в продольной или поперечной плоскости, с помощью гирокомпаса пилот увидит это отклонение по приборам. Кроме того, гирокомпас необходим в работе автопилота.

При очевидной полезности у механического гироскопа есть ряд недостатков. Для его стабильной работы нужны уникальные подшипники и предельная балансировка. Кроме того, на точность показаний влияет неизбежное трение в осях устройства.

Лазерный гироскоп − до сих пор на высоте

Избавиться от перечисленных слабых мест механики удалось в гироскопах следующего поколения − лазерных. В основе работы лазерного гироскопа – эффект Саньяка, открытый еще в 1913 году. Его суть заключается в том, что время прохождения светового луча по замкнутому контуру зависит от того, покоится или вращается данный контур, а также от направления его вращения. Применить этот эффект в гироскопии удалось только с появлением лазеров.

Первые работы по созданию лазерного гироскопа были начаты практически одновременно в США и СССР. В 1962 году американские ученые В. Мацек и Д. Девис создали и запустили первый макетный образец лазерного гироскопа на базе кольцевого газового He-Ne-лазера. В середине 1963 года аналогичный результат был достигнут советскими учеными Л.Н. Курбатовым (НИИПФ) и В.Н. Курятовым (НИИ «Полюс» им. М.Ф. Стельмаха, сегодня входит в холдинг «Швабе» Ростеха).

Бесплатформенная навигационная система БИНС-СП-1 с лазерным гироскопом

Впоследствии наиболее значимые разработки лазерных гироскопов были организованы в НИИ «Полюс» под руководством его основателя М.Ф. Стельмаха, а начиная с 1969 года запущено промышленное производство и поставки серийных образцов.

Сегодня применяются лазерные гироскопы трех основных типов – вибрационный, фарадеевский и зеемановский. У первого частотная подставка основана на механическом реальном вращении гироскопа путем угловых вибраций, у второго и третьего – на искусственном, электрически управляемом расщеплении частот встречных волн в гироскопе. Лазерные гироскопы используются в составе инерциальных навигационных систем, позволяющих определять местоположение самолета без опоры на внешние источники информации.

Помимо НИИ «Полюс» им. М.Ф. Стельмаха на сегодняшний день масштабными производителями лазерных гироскопов являются Раменский приборостроительный завод и Тамбовский завод «Электроприбор», входящие в «Концерн Радиоэлектронные технологии». Их гироскопы применяются в навигационных устройствах, которые устанавливаются на десятки моделей российских самолетов и вертолетов. Несмотря на общую тенденцию к миниатюризации техники и на совершенствование гироскопов на основе микроэлектромеханических систем (МЭМС-технологии), лазерные гироскопы в силу своей высокой точности продолжают доминировать на рынке навигационных устройств.