Что такое гироскоп на игрушке

Обновлено: 15.05.2024

"Гирос" - круг, "скопео" - смотрю (греч). Вот так расшифровывается название: смотрю на круг, смотрю на вращение. Прибор, основанный на законах вращения твердых тел. Термин очень популярный в настоящее время и услышать его или однокоренные слова можно практически везде. Например, гироскутер. Чтобы взлететь квадрокоптеру (или мультикоптеру) необходимо минимум три гироскопа. Ну и конечно Ваш любимый смартфон не обошелся без этого уникального прибора.

Так что же это за прибор? Представьте себе детскую игрушку, которую каждый хоть раз держал в руках - юлу или волчок. Их свойство таково, что они во время движения (когда вращаются) сохраняют стабильное положение своей оси вращения. Раскрутите юлу на ровной поверхности и толкните ее немного вбок - она переместится , но продолжит устойчиво вращаться. Колеса велосипедов, маховики двигателей, йо-йо, спиннеры, ракеты, пули, наша Земля, - все это по своей сути волчки.

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. (карданов подвес или подвес Фесселя). На картинке наглядно это подвес виден.

Изначально гироскоп был изобретен Иоанном Боненбергером в 1817 году. Только у нег вращался в подвесе шар. В 1832 году американец Уолтер Р. Джонсон заменил шар диском. Но большинство ученых считают, что теорию гироскопов следует вести от 1852 года, когда знаменитый французский физик Ж. Фуко продемонстрировал свой гироскоп, который он использовал для определения суточного вращения Земли и положения ее оси. Кстати термин "гироскоп" также принадлежит Фуко.

В настоящее время гироскоп - прибор, используемы для ориентации в пространстве. К этой же группе приборов относятся , например, подвес, уровень, астролябия. Гироскоп реагирует на малейшее изменение положения тела в пространстве (углы наклона) с помощью специальных датчиков (грузиков). в случае отклонения тела от устойчивого положения гироскоп сам начинает стабилизировать тело, создавая обратный момент вращения ( гироскопический эффект) и если требуется подключает специальные двигатели разгрузки. в настоящее время все конечно происходит под управлением электроники.

Первым сообразил приспособить гироскоп для стабилизации движения своих торпед англичанин Уайтхед. А теперь конечно ни один летательный аппарат (стабилизация и навигация), ни одно водное судно (навигация относительно вращения Земли) не обходится без гироскопа.

А гироскоп в смартфоне или планшете? В подавляющем количестве гаджетов они есть. Конечно там уже не механические гироскопы, а микроэлектромеханические, и в игровых приставках они тоже встречаются.

Зачем? Для того, чтобы, играя в любимый гоночный симулятор, можно было, чуть наклонив смартфон, повернуть виртуальный авто в любом направлении. Ну так для примера.

Так что думаю, что теперь Вы не спутаете гироскоп с гороскопом.) Всем удачи. Подписывайтесь, не забывайте про лайки. Спасибо.

ГИРОСКОП 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. Если 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 оси, перпендикулярной ему (прецессия). В хорошо сбалансированном (астатическом) и достаточно быстро вращающемся гироскопе, установленном на высокосовершенных подшипниках с незначительным трением, момент внешних сил практически отсутствует, так что гироскоп долго сохраняет почти неизменной свою ориентацию в пространстве. Поэтому он может указывать угол поворота основания, на котором закреплен.

Именно так французский физик Ж.Фуко (1819-1868) впервые наглядно продемонстрировал вращение Земли. Если же поворот оси гироскопа ограничить пружиной, то при соответствующей установке его, скажем, на летательном аппарате, выполняющем разворот, гироскоп будет деформировать пружину, пока не уравновесится момент внешней силы. В этом случае сила сжатия или растяжения пружины пропорциональна угловой скорости движения летательного аппарата. Таков принцип действия авиационного указателя поворота и многих других гироскопических приборов. Поскольку трение в подшипниках очень мало, для поддержания вращения ротора гироскопа не требуется много энергии. Для приведения его во вращение и для поддержания вращения обычно бывает достаточно маломощного электродвигателя или струи сжатого воздуха. Применение. 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 используются как генераторы момента силы или энергии.

Основные области применения гироскопов - судоходство, авиация и космонавтика.

Вертолеты на радиоуправлении. Какое преимущество даёт гироскоп?

— Приведу пример. Во время полёта хвост вертолёта может начать заносить в какую-либо сторону (по ряду причин: движение воздуха, непостоянная нагрузка на роторы, и т.д.). Гироскоп регистрирует это отклонение и даёт сигналы винтовым моторам для противодействия ему. Поэтому вертолёт и не раскручивается вокруг своей оси, а держит заданное направление. В новых радиоуправляемых вертолётах используются маленькие пьезоэлектрические датчики размером в пять раз меньше копеечной монетки. Благодаря им, полётом модели легко управлять, он становится сбалансирован.

Вертолет на р/у Syma GYRO S107 с гироскопом

Недорогие вертолёты без гироскопа уже довольно давно появились на рынке. Любители запускать радиоуправляемые модели, а, тем более, профессионалы в этой области, знают, как непросто управлять этими маленькими вертолётиками. В отличие от настоящих вертолётов, свободно парящих в небе, модели заносит, крутит, а мягкая посадка поначалу только снится. Сколько новичков это отвратило от радостей свободного пилотирования! А ребёнок успевал поиграть в эту игрушку всего несколько минут, после чего вертолёт терял управление, врезался в препятствие или падал с большой высоты - и тут же ломался. Понятное дело: слёзы, обида, расстраиваются и родители, и пилот. Вертолёты с гироскопом, благодаря стабильности полёта, позволяют научиться управлять ими без суеты и страха сломать игрушку. Вы полностью контролируете процесс, Ваша модель максимально послушна. К тому же, корпус и нейлоновые лопасти новых GYRO значительно прочнее.

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).

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.

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!

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.

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.

ГИРОСКОПИЧЕСКИЕ ИГРУШКИ

Стоит лишь быстро раскрутить игрушку-волчок, как он приобретает удивительную устойчивость и не падает набок. Он даже будет оказывать сопротивление попыткам изменить положение оси его вращения. Эти свойства волчка используют в так называемых гироскопических игрушках.

Волчок Кларка

Это игрушка-волчок английского изобретателя Р. Кларка. Из картона вырежьте два диска. С помощью клея соедините их переходной втулкой из ластика получится что-то очень похожее на старую магнитофонную катушку.

Остается в центре катушки просверлить сквозное отверстие, чтобы в него туго входил корпус шариковой ручки. И еще на верхнем диске надо пробить несколько отверстий. Игрушка готова.

Поставьте волчок Кларка на лист плотной бумаги и сильно раскрутите его. Волчок будет долго вращаться — на бумаге останется лишь точка.

А теперь вставьте в ближайшее от оси вращения отверстие свинцовую заклепку. Снова раскрутите волчок. Теперь он, вращаясь, станет перемещаться — на бумаге появятся спирали.
Переставьте заклепку в другое отверстие, и шарик нарисует новую кривую, непохожую на первую.

Объяснить поведение волчка нетрудно. Помимо сил инерции, на вращающуюся игрушку оказывает влияние центробежная сила, величина которой зависит от массы свинцовой заклепки, угловой скорости вращения волчка, расстояния от заклепки до оси вращения.

Волчок Грейга

Эту игрушку запатентовал американский изобретатель Р. Грейг. Корпус игрушки, если его так можно вообще назвать, представляет собой круглый воздушный шарик. Хотя в надутом состоянии оболочка и образует достаточно прочный корпус игрушки, но масса его явно недостаточна, чтобы при вращении создавать большой момент инерции. Грейг сместил центр тяжести игрушки вниз, то есть установил шарик на тяжелую коническую опору. Она состоит всего из двух деталей: сильного постоянного магнита цилиндрической формы и стальной заостренной книзу ножки. Магнит сквозь горловину вставлен внутрь шарика и через оболочку прижимает к себе ножку.

Чтобы заставить такой волчок вращаться, нужно сделать заводной механизм. Он состоит из полой ручки, внутри которой вращается ось, на которой посажены бобина с прочной нитью и зубчатое колесо. К наружному концу привязано кольцо. Второе зубчатое колесо, аналогично опорной ножке, удерживается на оболочке шарика магнитом. Заводной механизм используется только в момент запуска волчка и в его вращении не участвует.

В принципе игрушка Грейга мало чем отличалась бы от обыкновенной юлы, если бы не одна хитрость. Изобретатель наклеил изнутри прямо на оболочку шарика несколько небольших латунных дисков. Что это дало, понять нетрудно. На вращающиеся диски действует центробежная сила. Она стремится отбросить их от оси. Но этому препятствует сила упругости резиновой оболочки шарика. В начальный момент, когда частота вращения наибольшая, оболочка шарика немного деформируется, на ней появляются выпуклые места, которые по мере торможения волчка постепенно уменьшаются.

Остается добавить: чтобы эффективнее работал заводной механизм, его необходимо дополнить храповиком и возвратной пружиной.

Летающий волчок Лопатина

Игрушка К. Лопатина - тоже волчок. Самое необычное в нем то, что ему вовсе не надо опираться на что-то твердое. Если раскрутить игрушку, она полетит. Подъемную силу, уравновешивающую силу тяжести, создает трехлопастный ротор, искусно упрятанный автором внутри цилиндрического корпуса.

Основные детали волчка Лопатина: круглая деревянная палочка, цилиндрический каркас из упругой стальной проволоки, обтянутый тонкой материей, и ротор, изготовленный из дубового или букового шпона.

Сделать такую игрушку нетрудно. Гораздо труднее научиться ею пользоваться. Техника запуска сводится к следующему. Палочку зажимают между ладонями и резким движением рук в горизонтальном направлении раскручивают игрушку. В начальный момент она взлетает невысоко, а потом медленно, парашютируя, опускается вниз.

Так вот задача играющего — не дать упасть игрушке на землю. А это произойдет только в том случае, если частота вращения не будет уменьшаться. Вот для чего изобретатель придумал плеточку с несколькими короткими шнурками. Надо ударять этими шнурками по боковой цилиндрической поверхности волчка и тем самым подпитывать его энергией.

Интересный эффект можно получить, если установить небольшой грузик подальше от оси вращения, например, где-нибудь на проволочном каркасе. В этом случае вращающийся волчок будет еще и перемещаться в сторону, причем по сложной траектории.

Гироскопическая машинка

Эта идея гироскопической игрушки появилась у изобретателя, после просмотра программы «Автородео": известные трюки - езда автомобилей на двух колесах, развороты на 360 и 720°, прыжки через несколько стоящих автомашин.

Двигатель игрушки — маховик. Если его раскрутить, то через несколько шестеренок он будет крутить задние колеса. Кажется, что точно такой же привод установлен на инерционных игрушках.

Но это не так! Две незаметные особенности отличают этот привод от уже известных: маховик выглядит очень массивным, а значит, энергии он накапливает гораздо больше, а вращается маховик относительно не горизонтальной, а вертикальной оси. Вот эти две особенности и позволяют модели ехать не на четырех, а на двух колесах.

Раскрутив маховик, модель пускается по ровному участку трассы. Но вот переднее, а затем заднее колеса с правой стороны наезжают на подъемный мостик. Модель накреняется под углом 45°. Мостик кончается, а она так и продолжает ехать вперед, опираясь лишь на два колеса. Силы инерции уравновешивают силу тяжести, и пока их разность имеет положительную величину, игрушка будет ехать в неустойчивом положении на двух колесах. При замедлении наступает момент, когда силы сравняются. Начиная с этого момента, модель очень медленно начинает опускаться.

Читайте также: