Гироскоп. Теория и применение

К. Магнус ГИРОСКОП теория и применение Перевод о немецкого Г. Д. Блюмина, В. А. Филиппова, Б. Л. Хейла Под редакцией Г. Д. Блюмина Издательство «Мир» Москва 1974 УДК 331.383 В монографии известного немецкого специалиста в области механики и теории гироскопических приборов К. Магнуса освещены основные аспекты и приложения теории гироскопических систем.

Рассмотрены наиболее типичные устройства — гирогорнзонт, гнре. компас, гиростабилнватор и др. Значительное место уделено актуальным проблемам космических полетов — движению искусственного спутника, гироскопу с полостью, заполненной жидкостью, и т. п.

Большой интерес представляет предложенная автором классификация гироскопических приборов. Полнота и многогранность изложения, его высокий научный уровень, удачно сочетающийсн с ясностью н систематичностыо, делают кингу интересной для широкого круга специалистов, тем более что в нее включены новые результаты, в том числе н полученные самим автором, Она может быть использована кан учебное поеобие для студентов и аспирантов университетов и технических вузов.

Редакция литературы по математическил~ наукам © Перевод на русский язык, «Мир», 1074 М 20302 — 043 04!(О1) — 74 Предисловие редактора перевода Представляя читателю русский перевод книги известного немецкого ученого профессора К. Магнуса, мы хотим отметить некото. рые ее особенности. Это капитальная монография, в которой с исчерпывающей полнотой и на высоком научном уровне освещены главные аспекты и приложения современной гироскопической теории, ее методы и наиболее значительные результаты, в частности и те, которые принадлежат самому автору. Вместе с тем книга может служить и учебником (или хорошей основой большого курса) по теории гироскопических систем.

Чем достигается такое не часто встречающееся сочетание? Прежде всего тем, что материал книги при всей его полноте и многогранности подчинен четкой и глубоко продуманной системе. Читателю предлагаются не отдельные вопросы теории гироскопов (что вполне естественно для обычной монографии), а дельная система знаний — наука о гироскопе и его приложениях.

При этом наибольшее внимание (и место) уделено основе этой науки— механике гироскопических систем; именно она образует стройный логический каркас всей книги. Для монографии К. Магнуса характерно ясное и систематическое изложение основ науки, что, к сожалению, далеко не всегда можно сказать о книгах по теории гироскопических систем, специально изданных в качестве учебников: вместо этого некоторые из них настолько перегружены частными задачами или изложением собственных результатов авторов, что читатель может не увидеть леса из-за деревьев. К. Магнус также рассматривает много частных задач и разнообразных гироскопических явлений, но использует нх для разъяснения или для иллюстрации принципиальных положений н методов теории.

У него такие задачи— лишь детали, которые как бы размещены на каркасе здания, отнюдь не затемняя его. Математический аппарат книги сравнительно прост. Здесь действительно соблюдается «желаемое равновесие между употребляемыми средствами и получаемым результатом», о котором автор упоминает в предисловии. Возможно, что несколько непривычные для широкого круга читателей индексные обозначения векторов и тензоров вызовут известные затруднения, однако эти затруднения легко преодолеть, воспользовавшись объяснениями в первой главе книги.

В то же время нельзя не согласиться с автором в том, Предисловие редактора перевода что такие обозначения приводят к большей компактности записи формул и выкладок. Наряду с классической теорией гироскопа (в общем представляющей собой теорию вращательного движения твердого тела) и с традиционными вопросами теории гироскопических систем в книге освещены новые проблемы, ставшие особенно актуальными в последние годы в связи с развитием ракетной техники и космонавтики.

Сюда относятся, например, задачи о движении спутника в центральном поле тяготения, о гиростатах и твердых телах с полостями, заполненными жидкостью, о гироскопах с самовозбуж. дением и ряд других. Нова н интересна, на наш взгляд, вполне удавшаяся попытка построить классификацию гироскопических приборов; она охватывает, пожалуй, все известные их виды. Автор делит приборы по функциональному назначению, но не придерживается этого принципа слишком жестко, так что фактически объединенными в одну группу оказываются приборы, сходные по внутренней структуре. Такая классификация вносит в теорию многочисленного и очень разнообразного по составу семейства гироприборов определенную систему, позволяет выявлять общие свойства и закономерности. В книге развивается теория основных типов гироскопических приборов: гировертикалей, гирокомпасов (в частности, пространственного компаса), гиростабилизаторов, инерциальных платформ.

При этом автор, верный своему методу изложения, не вдается в частности, а сосредоточивает внимание главным образом на методах исследования н лишь наиболее важных вопросах теории, таких, как влияние ускорений объекта (в частности, проблема невозмущаемости), эффекты детектирования возмущений, кинематические погрешности, методы рационального построения контура стабилизации и т. п.

Терминология автора во многом отлична от той, которая сложилась в советской литературе. При переводе мы стремились к возможно более точной передаче смысла и оттенков немецкой терминологии, а не к замене ее на принятую у нас, полагая, что такая замена привела бы к утрате известной части информации. Пользуюсь случаем выразить свою благодарность автору, любезно представившему исправления и уточнения текста оригинала, а также предисловие к русскому изданию.

Книга будет интересна и полезна научным работникам, преподавателям и инженерам, специализирующимся в области теории и техники гироскопических систем. Преподаватели механики также найдут в ней много интересного для себя и своих учеников. Нет сомнения в том, что книга К. Магнуса займет свое место в большой литературе по теории гироскопов как одно из наиболее значительных и читаемых произведений. Г.

Блюлеин Предисловие Прошло почти полтора века с тех пор, как астроном Джон Гершель назвал гироскоп инструментом философа, но и до сих пор гироскоп не утратил своих чар. И сегодня справедливо утверждение Феликса Клейна и Арнольда Зоммерфельда (1910), что ни один прибор ие способствует в такой мере, как гироскоп, выявлению и пониманию взаимосвязей между физическими понятиями в механике. Рассматривая литературу о гироскопах, можно отметить в ней две почти независимые тенденции. С однои стороны, теория вращательного движения твердых тел стала очень подробной, углубляясь в изучение едва ли представляющих интерес деталей.

Эта математическая дисциплина обязана своим развитием прежде всего тому обстоятельству, что многие математики увидели в гироскопе объект, на котором можно наиболее эффективно демонстрировать математические методы. С другой стороны, физики и инженеры уже издавна исследовали своеобразные свойства гироскопа отчасти из-за научной любознательности, а отчасти и для того, чтобы непосредственно использовать эти свойства при решении интересовавших нх проблем.

Вспомним, например, Леона Фуко, который в январе !852 г. пытался дать новое экспериментальное доказательство вращения Земли. С тех пор вышло много книг по теории гироскопов, которые не понятны техникам, и много трудов по широко развившейся тем временем гироскопической технике, которые вряд ли смогут вдохновить математика.

Несомненно, однако, что особая прелесть гироскопии †э именно связь между теорией и приложениями. Сознание этого обстоятельства и руководило Рихардом Граммелем, предпринявшим в своей книге «Гироскоп» (первое издание 1920 г., второе — 1950 г.) попытку перекинуть мост между этими дотоле разобщенными областями. Граммель излагает интереснейшие результаты классической теории гироскопов, но всегда выясняет их физическую основу; он описывает наиболее важные приложения и анализирует их средствами теории. Поэтому изложение Граммеля получило равно высокую оценку и у теоретиков, и у практиков. Со времени выхода книги Граммеля гироскопическая техника развилась удивительным образом.

Но и гироскопическая теория, которую можно было считать едва ли не завершенной, получила Предисловие новые импульсы, прежде всего в связи с развитием космической техники. Экстремальные условия, в которых находятся спутники и ракеты в космосе, выдвинули новые проблемы, и таким образом обнаружилась новая область взаимодействия классической теории гироскопов и гироскопической техники. Так, например, необходимость в определенном корректировании спутника при движении его по орбите вызвала особый интерес к проблемам самовозбуждающихся гироскопов и гиростатов; возникла необходимость исследовать влияние заполненных жидкостью резервуаров на гироскопические движения космических кораблей и ракет. И наконец, появились новые задачи о телах, масса или моменты инерции которых не являются постоянными.

Общая теория гироскопических систем, основанная на классических результатах Томсона и Тэта и очень далеко продвинувшаяся за последние годы, должна была занять в этой книге подобающее ей место. Однако в данном случае (как, впрочем, и в других) от стремления к исчерпывающему освещению темы, присущего, пожалуй, любому автору, пришлось отказаться в пользу более сжатого, учебного изложения материала. При этом мы стремились к обобщению методов и наиболее важных результатов, а не к систематическому исследованию отдельных явлений. То же относится и к изложению прикладных вопросов.