63985 (Гіроскопи в науці і техніці)

Зміст

Вступ

1 Гірополукомпаси. Гірокомпас Фуко

2 Гіростабілізатори

3 Гіроскопи в науці

4 Використання гіроскопів в техніці

5Системи стабілізації

6 Нові типи гіроскопів

Висновки

Список використаних джерел

Вступ

Традиційний гіроскоп — пристрій, що містить швидкообертове тверде тіло, яке має три обертові ступеня вільності, тобто можливість обертання навколо трьох взаємно-перпендикулярних осей. У більш широкому сенсі гіроскоп - це любий фізичний прилад який дозволяє визначити кутову швидкість рухомого об’єкту, або його кут повороту.

Вісь у тілі (роторі) гіроскопа, навколо якої гіроскопу надано швидкого обертання, називають головною віссю гіроскопа або віссю власного обертання.

Гіроскоп має три характерні властивості:

- стійкість положення головної осі в інерціальному просторі, тобто здатність ефективно опиратися зовнішнім силам, які прагнуть змінити напрямок головної осі у просторі;

- прецесії: якщо на гіроскоп діє постійний момент сил, який прагне змінити напрямок головної осі, то головна вісь набуває обертання з постійною кутовою швидкістю у площині, яка проходить через головну вісь і вісь прикладеного моменту сил;

- нутації: якщо на гіроскоп подіяв ударний імпульс сил, який прагне змістити положення головної осі, то головна вісь починає здійснювати коливання (з великою частотою і вельми малою амплітудою), описуючи у просторі конічну поверхню з вершиною у точці підвісу.

Сучасні гіроскопи основані на вимірюванні вібраційних та хвильових параметрів резонаторів різних типів (механічних, оптичних, тощо). Принципи їх дії основані на ефектах Сань’нка, Фермі, Брайана (інерції стоячих хвиль у пружньому кільці та у вісесиметричних оболонках), ефекті інерціі поляризації пружніх хвиль зсуву, тощо.

Прилади, що використовують властивості гіроскопа, застосовуються в ряді галузей науки і техніки, зокрема в системах навігації літальних апаратів.

До винаходу гіроскопа людство використовувало різні методи визначення напрямку у просторі. Здавна люди орієнтувалися візуально по віддалених предметів, зокрема, за Сонцем. Вже в давнину з'явилися перші прилади: схил і рівень, засновані на гравітації. У середні століття в Китаї був винайдений компас, який використовує магнетизм Землі. У Європі були створені астролябія та інші прилади, засновані на положенні зірок.

Гіроскоп, винайдений Фуко (побудував Дюмолен-Фромент, 1852). Гіроскоп винайшов Йоганн Боненбергер і опублікував опис свого винаходу в 1817 році . Проте французький математик Пуассон ще в 1813 році згадує Боненбергера як винахідника цього пристрою . Головною частиною гіроскопа Боненбергера був обертовий масивна куля в кардановому підвісі . У 1832 році американець Уолтер Р. Джонсон придумав гіроскоп з обертовим диском. Французький вчений Лаплас рекомендував цей пристрій в навчальних цілях. У 1852 році французький учений Фуко удосконалив гіроскоп і вперше використав його як прилад, що показує зміну напряму (в даному випадку - Землі), через рік після винаходу маятника Фуко, теж заснованого на збереженні обертального моменту. Саме Фуко придумав назву «гіроскоп». Фуко, як і Боненбергер, використовував карданів підвіс. Не пізніше 1853 Фессель винайшов інший варіант підвіски гіроскопа [7., ст. 202].

Перевагою гіроскопа перед більш давніми приладами є те, що він правильно працює в складних умовах (погана видимість, тряска, електромагнітні перешкоди). Однак гіроскоп швидко зупинявся через тертя.

У другій половині XIX століття було запропоновано використовувати електродвигун для розгону і підтримки руху гіроскопа. Вперше на практиці гіроскоп був застосований у 1880-х роках інженером Обрі для стабілізації курсу торпеди. У XX столітті гіроскопи стали використовуватися в літаках, ракетах і підводних човнах замість компаса або спільно з ним.

1 Гірополукомпаси. Гірокомпас Фуко

Однією з найважливіших величин, знання яких необхідно для водіння корабля або літака, є курс. Визначення курсу можна робити магнітним компасом або за допомогою гіроскопічних приладів. Як відомо, стрілка магнітного компаса вказує напрямок на Північ (точніше - на північний магнітний полюс, який дещо зміщений щодо географічного полюса Землі). Вимірюючи на кораблі кут між напрямом магнітної стрілки і поздовжньою віссю корабля, отримують курс. Однак магнітний компас - вельми недосконалий прилад: показання його спотворюються присутністю залізних мас, магнітними бурями та іншими перешкодами. При поворотах корабля слідом за ним захоплюється і магнітна стрілка, відхиляючись при цьому на значний кут від меридіана. Зважаючи на це отримали розвиток гіроскопічні покажчики курсу: гірокомпас, гирополукомпас і ДРД гірокомпас з чутливим елементом, що вказує на правління меридіана. Властивість цього приладу така, що його гіроскоп сам встановлюється своєю віссю в напрямку на Північ. Цей напрямок є положенням його стійкої рівноваги; якщо відхилити гіроскоп від цього напрямку і надати самому собі, він знову до нього повернеться. Гірокомпас використовуються тільки на морських судах і абсолютно не застосовуються в авіації, тому що при сучасних швидкостях польоту вони мають неприпустимо великі похибки.

Уявімо собі, що на кораблі, що рухається яким-небудь чином здійснили горизонтальну площадку (при відсутності хитавиці це може бути, наприклад, палуба корабля) і на ній встановили гіроскоп в кардановому підвісі. При цьому орієнтували гіроскоп таким чином, що зовнішня вісь підвісу перпендикулярна майданчику і, отже, спрямована по вертикалі, а вісь гіроскопа спрямована на Північ. При такій установці три осі карданового підвісу (вісь зовнішньої рамки, вісь внутрішньої рамки і вісь гіроскопа) збігаються з осями географічного координатного тригранника.

Проте зазначений збіг має місце лише в першу мить, так як вісь вільного гіроскопа зберігає свій напрям в просторі незмінним, а географічний тригранник обертається як внаслідок обертання Землі, так і внаслідок руху корабля щодо земної сфери. Спостерігачеві, що знаходиться на кораблі, буде здаватися, що змінює своє положення не горизонтальна площина і не полуденна лінія (вісь 0х), а вісь гіроскопа. Спостережувана зміна положення осі гіроскопа по відношенню до земних орієнтирів (або географічному тригранників) називається видимим, або удаваним рухом гіроскопа.

Таким чином , гірокомпас Фуко в найпростішому вигляді являє собою двоступеневий гіроскоп з вертикальним розташуванням осі гірокамери. Детальне дослідження цього приладу показує, що якщо в початковий момент вісь гіроскопа відхилена від лінії SV на малий кут, то вона стане здійснювати біля цієї лінії гармонійні коливання. Якщо штучно створити на осі Z момент в'язкого тертя (тобто гальмуючий момент, пропорційний кутовий швидкості обертання гирокамери), то ці коливання стануть затухаючими і вісь гіроскопа встановиться в напрямку полуденної лінії або, як прийнято говорити, гирокомпас прийде в меридіан [9., ст. 158].

Принцип дії гірокомпаса Фуко застосовуються тільки, для роботи на нерухомому підставі. Справа в тому, що навіть малі похитування майданчики П (відхилення її від горизонтального положення) обурюють гірокомпас і свідчення його стають нестійкими. В умовах корабля можна було б здійснити двоступеневої гірокомпас Фуко, якщо необхідний для нього горизонтальний майданчик П створити штучно за допомогою, наприклад, гіроскопічної стабілізації. Але при цьому потрібна була б настільки висока точність підтримки горизонтального положення цього майданчика, яка чи досяжна практично. Тому проблема гірокомпаса, придатного для корабельних умов, вирішується трохи інакше, хоча і з використанням основної ідеї Фуко.

Обертання відбуватиметься навколо осі зовнішньої рамки, при цьому вісь гіроскопа зробить за добу один повний оборот за годинниковою стрілкою.

Поставимо гіроскоп в деяку довільну точку О Північної або Південної півкулі Землі, будемо спостерігати безперервну зміну положення осі гіроскопа як по відношенню до площини меридіана, так і по відношенню до площини горизонту, що відбувається внаслідок добового обертання Землі. Однак можна змусити вісь гіроскопа слідувати за цими площинами, прикладаючи до гіроскопа відповідні моменти. Як повинні бути розраховані ці моменти?

Якщо вісь гіроскопа завжди залишається у площині горизонту і площини географічного меридіана, то це означає, що вона збігається з віссю О. і що є лінією перетину цих площин. Оскільки вісь О обертається навколо осі OХ, з кутовою швидкістю W і навколо осі ОХ з кутовий швидкістю т-то швидкість кінця вектора Н матиме проекції на осі ОХ і по У відповідно рівні. Згідно з теоремою Резаля, такий рух гіроскопа можливо лише тоді, коли до нього включені моменти.

Таким чином, прикладаючи розраховані за формулою моменти МХ і MY щодо осей внутрішньої і зовнішньої рамок, перетворюємо вільний гіроскоп в гірополукомпас. Якщо виставити спочатку його вісь у напрямку Південь - Північ, то вона буде слідувати за цим напрямком. Застосовуються (головним чином в авіації) і такі ЦПК, які вказують напрямок ортодромічного меридіана, дотична до ортодромічного меридіану що бертається в просторі довкола вертикалі місця зі швидкістю.

В цьому випадку вісь гіроскопа, установлена спочатку по дотичній до ортодромічного меридіана, зберігає цей напрямок і надалі. На гіроскоп будуть діяти відносно цієї ж осі всякого роду шкідливі моменти, породжувані силами тертя, дебалансів (неточним збігом центру ваги гіроскопа з точкою опори), та інші, величина і напрям яких наперед невідомі. Ці моменти викличуть додаткове обертання гіроскопа навколо осі O, внаслідок чого його вісь буде, або відставати від напрямку меридіана, або випереджати його. Це явище називають «відходом», або «дрейфом», гіроскопа.

При конструюванні і виготовленні приладу вживаються заходи до того, щоб зменшити зазначені шкідливі моменти, а відставати від напрямку меридіана, або випереджати його. Це явище називають «відходом», або «дрейфом», гіроскопа.

Як вказувалося вище, гіроскопічні компаси застосовують головним чином на морських кораблях і підводних човнах. Їх призначення - вказувати напрям географічного меридіана. Однак область застосування гірокомпасів не обмежується морськими об'єктами. Існують гірокомпас для сухопутних рухомих установок, а також гірокомпас, що працюють на нерухомій відносно Землі підставі. Такі, наприклад, маркшейдерський гірокомпас, що вживається при проходці тунелів, або гіротеодоліт, що дозволяє з великою точністю визначити напрям меридіана на суші (набагато точніше, ніж це можна зробити за допомогою магнітного компаса). Нарешті, гіроорбітант, застосовуваний на супутниках Землі для визначення положення площини орбіти супутника, також є свого роду гіроскопічним компасом.

2 Гіростабілізатори

На рухомих об'єктах у ряді випадків потрібно мати незмінне або, як прийнято говорити, стабілізоване в просторі положення окремих блоків, приладів і пристроїв, яке має зберігатися за будь-яких поворотах об'єкта. Наприклад, в системах управління літаком, ракетою або кораблем штучно отримують стабілізовану платформу, щодо якої контролюють кутове положення рухомого об'єкту. Стабілізують оптичні осі телескопів, спрямованих на будь-яке світило, оптичні осі фотоапаратів, бомбові та артилерійські приціли, знаряддя та ін.

Найбільш точна і надійна стабілізація може бути здійснена за допомогою гіроскопічних пристроїв, що одержали назву гіростабілізаторів. Описанний стабілізатор називають одноосьовим, так як він запобігає обертанню платформи навколо однієї лише осі; в нашому випадку - це вісь паралельна поперечної осі корабля; при гойданні корабля навколо поздовжньої осі (бортова хитавиця) платформа змушена буде гойдатися разом з ним. Існують і частіше застосовуються більш складні стабілізатори - двовісні і тривісні. Як показує їх назву, двовісний стабілізатор запобігає обертання стабілізіруємого об'єкта навколо будь-якої з двох взаємно перпендикулярних осей, а тривісний повністю ізолює, що стабілізується об'єкт від будь-яких обертальних рухів, що здійснюються кораблем чи літаком.

У ряді випадків більш доцільно буває здійснити не непряму, а силову гіроскопічну стабілізацію. Найпростішим силовим гіростабілізатором є одноосьовий стабілізатор .

Таким чином гірокомпас Фуко в найпростішому вигляді являє собою двоступеневий гіроскоп з вертикальним розташуванням осі гірокамери. Якщо штучно створити на осі Z момент в'язкого тертя (тобто гальмуючий момент, пропорційний кутовий швидкості обертання гірокамери), то ці коливання стануть затухаючими і вісь гіроскопа встановиться в напрямку полуденної лінії або гірокомпас маркшейдерський — вибухобезпечний гіроскопічний прилад, призначений для визначення дирекційних кутів сторін при орієнтуванні підземної маркшейдерської зйомки, розвитку, поповненні та реконструкції підземних маркшейдерських опорних мереж, а також при маркшейдерсько-геодезичних роботах на поверхні. Складається він з гіроблока, вимірювального блока та блока живлення. Період коливання Г.м. — проміжок часу, за який вісь гірокомпаса виконує одне повне коливання від однієї крайньої точки (точки реверсії) до другої крайньої точки і повертається в початкове положення[9., 112].

Гірокомпас маятниковий — гіроскопічний пристрій для визначення напрямку географічного меридіана. В основі принципу дії Г.м. лежать кутова швидкість обертання Землі і властивості гіроскопа. Центр ваги вільного гіроскопа зміщено відносно точки підвісу. Головна вісь Г.м. робить гармонійні коливання, положення рівноваги яких збігається з напрямком географічного меридіана точки установки приладу[10., ст. 321].

Гірокомпас наземний — гіроскопічний прилад, що складається з гіроблока (гірокомпаса маятникового), теодоліта з автоколімаційною трубою, жорстко зв'язаною з алідадою, перетворювача й акумуляторної батареї. Г.н. призначається для орієнтування у всіх випадках, коли положення приладу - весь період орієнтування на даній точці залишається незмінним. До наземних гірокомпасів належать власне гірокомпаси і гіротеодоліти як прийнято говорити, гірокомпас прийде в меридіан.

В гіроскопі з електростатичним підвісом ротор є порожнистою сферою, зовнішня поверхня якої має високу провідність. Ротор поміщається між електродами, до яких підводиться висока напруга, регульована спеціальною стежачою системою. Під дією електростатичних сил ротор центрується в просторі між електрода