陀螺儀可能是非常令人困惑的物體，因?yàn)樗鼈円云嫣氐姆绞揭苿?dòng)，甚至似乎無(wú)視重力。這些特殊特性使陀螺儀在一切方面都非常重要 自行車 到高級(jí)導(dǎo)航系統(tǒng)上 航天飛機(jī).一個(gè)典型的 飛機(jī) 使用大約十幾個(gè)陀螺儀從其 指南針 到它的自動(dòng)駕駛儀。俄羅斯和平號(hào)空間站使用11個(gè)陀螺儀來(lái)保持其方向 太陽(yáng)，以及 哈勃太空望遠(yuǎn)鏡 還有一批導(dǎo)航陀螺儀。陀螺效應(yīng)也是諸如 溜溜球 還有飛盤!

　　在本期 如何工作，我們將看看陀螺儀，以了解為什么它們?cè)谶@么多不同的地方如此有用。您還將看到他們非常奇怪的行為背后的原因!

　　歲差

　　點(diǎn)擊這里 下載顯示工作歲差的 30 秒全動(dòng)態(tài)視頻。(1.7 兆字節(jié))如果您曾經(jīng)玩過(guò)玩具陀螺儀，您就會(huì)知道它們可以執(zhí)行各種有趣的技巧。它們可以在繩子或手指上保持平衡;它們可以以非常奇怪的方式抵抗圍繞自旋軸的運(yùn)動(dòng);但最有趣的效果叫做 歲差.這是陀螺儀的反重力部分。以下視頻向您展示了使用自行車輪作為陀螺儀的進(jìn)動(dòng)效果：

　　視頻中最令人驚奇的部分，也是陀螺儀令人難以置信的部分，是陀螺儀自行車輪能夠像這樣懸掛在空中的部分：

　　陀螺儀“反重力”的能力令人困惑!

　　它怎么能做到這一點(diǎn)?

　　這種神秘的效應(yīng)就是歲差。在一般情況下，進(jìn)動(dòng)的工作原理如下：如果你有一個(gè)旋轉(zhuǎn)的陀螺儀，你嘗試旋轉(zhuǎn)它的旋轉(zhuǎn)軸，陀螺儀將嘗試?yán)@一個(gè)軸旋轉(zhuǎn)，與你的力軸成直角，如下所示：

　　在圖1中，陀螺儀在其軸上旋轉(zhuǎn)。 在圖 2 中，施加力以嘗試旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)軸。 在圖3中，陀螺儀沿垂直于輸入力的軸對(duì)輸入力做出反應(yīng)。

　　那么，為什么會(huì)發(fā)生歲差呢?

　　歲差的原因

　　當(dāng)力施加到軸上時(shí)，識(shí)別的兩個(gè)點(diǎn)將嘗試沿指示的方向移動(dòng)。為什么陀螺儀應(yīng)該顯示這種行為?自行車車輪的車軸可以這樣懸在空中似乎完全是荒謬的。但是，如果您考慮陀螺儀旋轉(zhuǎn)時(shí)的不同部分實(shí)際發(fā)生了什么，您會(huì)發(fā)現(xiàn)這種行為是完全正常的!

　　讓我們看看陀螺儀旋轉(zhuǎn)時(shí)的兩個(gè)小部分 - 頂部和底部，如下所示：

　　當(dāng)力施加到軸上時(shí)，陀螺儀頂部的部分將嘗試向左移動(dòng)，陀螺儀底部的部分將嘗試向右移動(dòng)，如圖所示。如果陀螺儀不旋轉(zhuǎn)，則輪子會(huì)翻轉(zhuǎn)，如上一頁(yè)的視頻所示。如果陀螺儀在旋轉(zhuǎn)，請(qǐng)考慮陀螺儀的這兩個(gè)部分會(huì)發(fā)生什么： 牛頓第一運(yùn)動(dòng)定律 聲明運(yùn)動(dòng)中的物體繼續(xù)沿直線以恒定速度移動(dòng)，除非受到不平衡力的作用。因此，陀螺儀上的頂點(diǎn)受到施加在軸上的力的作用，并開始向左移動(dòng)。由于牛頓第一運(yùn)動(dòng)定律，它繼續(xù)嘗試向左移動(dòng)，但陀螺儀的旋轉(zhuǎn)使它旋轉(zhuǎn)，如下所示：

　　當(dāng)兩個(gè)點(diǎn)旋轉(zhuǎn)時(shí)，它們繼續(xù)運(yùn)動(dòng)。

　　這種效應(yīng)是歲差的原因。陀螺儀的不同部分在一個(gè)點(diǎn)上接收力，但隨后旋轉(zhuǎn)到新位置!當(dāng)陀螺儀頂部的部分向側(cè)面旋轉(zhuǎn) 90 度時(shí)，它繼續(xù)向左移動(dòng)。底部的部分也是如此 - 它向側(cè)面旋轉(zhuǎn)90度，并且繼續(xù)向右移動(dòng)。這些力使車輪沿進(jìn)動(dòng)方向旋轉(zhuǎn)。當(dāng)識(shí)別的點(diǎn)繼續(xù)旋轉(zhuǎn) 90 度時(shí)，它們的原始運(yùn)動(dòng)將被取消。所以陀螺儀的軸懸在空中并進(jìn)動(dòng)。當(dāng)你這樣看它時(shí)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)歲差一點(diǎn)也不神秘——它完全符合物理定律!

　　陀螺儀的用途

　　所有這一切的效果是，一旦你旋轉(zhuǎn)陀螺儀，它的軸就會(huì)一直指向同一個(gè)方向。如果將陀螺儀安裝在一組 萬(wàn)向節(jié) 這樣它就可以繼續(xù)指向同一個(gè)方向，它會(huì)的。這是基礎(chǔ) 陀螺羅盤.

　　如果您將兩個(gè)陀螺儀的軸彼此成直角安裝在平臺(tái)上，并將平臺(tái)放置在一組萬(wàn)向節(jié)內(nèi)，當(dāng)萬(wàn)向節(jié)以任何它們喜歡的方式旋轉(zhuǎn)時(shí)，平臺(tái)將保持完全剛性。這是這個(gè)基礎(chǔ) 慣性導(dǎo)航系統(tǒng) (移民局)。

　　在INS中，萬(wàn)向節(jié)軸上的傳感器檢測(cè)平臺(tái)何時(shí)旋轉(zhuǎn)。INS使用這些信號(hào)來(lái)了解車輛相對(duì)于平臺(tái)的旋轉(zhuǎn)。如果向平臺(tái)添加一組三個(gè)敏感 加速度 計(jì)，您可以準(zhǔn)確地知道車輛的前進(jìn)方向以及它在三個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)如何變化。有了這些信息，飛機(jī)的自動(dòng)駕駛儀就可以保持飛機(jī)的航向，火箭的制導(dǎo)系統(tǒng)可以將火箭插入所需的軌道!

　　有關(guān)陀螺儀及其應(yīng)用的更多信息，請(qǐng)查看下一頁(yè)的鏈接!

　　陀螺儀常見問(wèn)題

　　陀螺儀有什么用?

　　陀螺儀內(nèi)置在船舶和飛機(jī)的指南針、魚雷的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)以及安裝在彈道導(dǎo)彈和軌道衛(wèi)星等地方的制導(dǎo)系統(tǒng)中。

　　為什么陀螺儀無(wú)視重力?

　　它們似乎無(wú)視重力，但事實(shí)并非如此。這種效應(yīng)是由于角動(dòng)量守恒。

　　什么是陀螺效應(yīng)?

　　此效果是指旋轉(zhuǎn)對(duì)象希望保持其旋轉(zhuǎn)軸的方式。