陀螺儀是什么？

　　中文名稱：

　　陀螺儀

　　英文名稱：

　　gyroscope

　　定義：

　　利用高速回轉(zhuǎn)體的動量矩敏感殼體相對慣性空間繞正交于自轉(zhuǎn)軸的一個(gè)或二個(gè)軸的角運(yùn)動檢測裝置。利用其他原理制成的角運(yùn)動檢測裝置起同樣功能的也稱陀螺儀。

　　應(yīng)用學(xué)科：

　　船舶工程（一級學(xué)科）；船舶通信導(dǎo)航（二級學(xué)科）

　　簡介　繞一個(gè)支點(diǎn)高速轉(zhuǎn)動的剛體稱為陀螺（top）。通常所說的陀螺是特指對稱陀螺，它是一個(gè)質(zhì)量均勻分布的、具有軸對稱形狀的剛體，其幾何對稱軸就是它的自轉(zhuǎn)軸。 由蒼蠅后翅（退化為平衡棒）仿生得來。

　　在一定的初始條件和一定的外在力矩作用下，陀螺會在不停自轉(zhuǎn)的同時(shí)，還繞著另一個(gè)固定的轉(zhuǎn)軸不停地旋轉(zhuǎn)，這就是陀螺的旋進(jìn)（precession），又稱為回轉(zhuǎn)效應(yīng)（gyroscopic effect）。陀螺旋進(jìn)是日常生活中常見的現(xiàn)象，許多人小時(shí)候都玩過的陀螺就是一例。

　　人們利用陀螺的力學(xué)性質(zhì)所制成的各種功能的陀螺裝置稱為陀螺儀（gyroscope），它在科學(xué)、技術(shù)、軍事等各個(gè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。比如：回轉(zhuǎn)羅盤、定向指示儀、炮彈的翻轉(zhuǎn)、陀螺的章動、地球在太陽（月球）引力矩作用下的旋進(jìn)（歲差）等。

　　陀螺儀的種類很多，按用途來分，它可以分為傳感陀螺儀和指示陀螺儀。傳感陀螺儀用于飛行體運(yùn)動的自動控制系統(tǒng)中，作為水平、垂直、俯仰、航向和角速度傳感器。指示陀螺儀主要用于飛行狀態(tài)的指示，作為駕駛和領(lǐng)航儀表使用。

　　現(xiàn)在的陀螺儀分為，壓電陀螺儀，微機(jī)械陀螺儀，光纖陀螺儀，激光陀螺儀，都是電子式的，可以和加速度計(jì)，磁阻芯片，GPS，做成慣性導(dǎo)航控制系統(tǒng)。

　　結(jié)構(gòu)

　　基本上陀螺儀是一種機(jī)械裝置，其主要部分是一個(gè)對旋轉(zhuǎn)軸以極高角速度旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子裝在一支架內(nèi)；在通過轉(zhuǎn)子中心軸XX1上加一內(nèi)環(huán)架，那么陀螺儀就可環(huán)繞飛機(jī)兩軸作自由運(yùn)動；然后，在內(nèi)環(huán)架外加上一外環(huán)架；這個(gè)陀螺儀有兩個(gè)平衡環(huán)，可以環(huán)繞飛機(jī)三軸作自由運(yùn)動，就是一個(gè)完整的太空陀螺儀（space gyro）。

　　歷史

　　1850年法國的物理學(xué)家萊昂·傅科（J.Foucault）為了研究地球自轉(zhuǎn)，首先發(fā)現(xiàn)高速轉(zhuǎn)動中的轉(zhuǎn)子（rotor），由于慣性作用它的旋轉(zhuǎn)軸永遠(yuǎn)指向一固定方向，他用希臘字 gyro（旋轉(zhuǎn)）和skopein（看）兩字合為gyro scopei 一字來命名這種儀表。

　　陀螺儀是一種既古老而又很有生命力的儀器，從第一臺真正實(shí)用的陀螺儀器問世以來已有大半個(gè)世紀(jì)，但直到現(xiàn)在，陀螺儀仍在吸引著人們對它進(jìn)行研究，這是由于它本身具有的特性所決定的。陀螺儀最主要的基本特性是它的穩(wěn)定性和進(jìn)動性。人們從兒童玩的地陀螺中早就發(fā)現(xiàn)高速旋轉(zhuǎn)的陀螺可以豎直不倒而保持與地面垂直，這就反映了陀螺的穩(wěn)定性。研究陀螺儀運(yùn)動特性的理論是繞定點(diǎn)運(yùn)動剛體動力學(xué)的一個(gè)分支，它以物體的慣性為基礎(chǔ)，研究旋轉(zhuǎn)物體的動力學(xué)特性。

　　原理

　　陀螺儀的原理就是，一個(gè)旋轉(zhuǎn)物體的旋轉(zhuǎn)軸所指的方向在不受外力影響時(shí)，是不會改變的。人們根據(jù)這個(gè)道理，用它來保持方向，制造出來的東西就叫陀螺儀。陀螺儀在工作時(shí)要給它一個(gè)力，使它快速旋轉(zhuǎn)起來，一般能達(dá)到每分鐘幾十萬轉(zhuǎn)，可以工作很長時(shí)間。然后用多種方法讀取軸所指示的方向，并自動將數(shù)據(jù)信號傳給控制系統(tǒng)。

　　在現(xiàn)實(shí)生活中，陀螺儀發(fā)生的進(jìn)給運(yùn)動是在重力力矩的作用下發(fā)生的。

　　特性

　　陀螺儀被廣泛用于航空、航天和航海領(lǐng)域。這是由于它的兩個(gè)基本特性：一為定軸性（inertia or rigidity），另一是進(jìn)動性（precession），這兩種特性都是建立在角動量守恒的原則下。

　　定軸性

　　當(dāng)陀螺轉(zhuǎn)子以高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，在沒有任何外力矩作用在陀螺儀上時(shí)，陀螺儀的自轉(zhuǎn)軸在慣性空間中的指向保持穩(wěn)定不變，即指向一個(gè)固定的方向；同時(shí)反抗任何改變轉(zhuǎn)子軸向的力量。這種物理現(xiàn)象稱為陀螺儀的定軸性或穩(wěn)定性。其穩(wěn)定性隨以下的物理量而改變：

　　1.轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量愈大，穩(wěn)定性愈好；

　　2.轉(zhuǎn)子角速度愈大，穩(wěn)定性愈好。

　　所謂的“轉(zhuǎn)動慣量”，是描述剛體在轉(zhuǎn)動中的慣性大小的物理量。當(dāng)以相同的力矩分別作用于兩個(gè)繞定軸轉(zhuǎn)動的不同剛體時(shí)，它們所獲得的角速度一般是不一樣的，轉(zhuǎn)動慣量大的剛體所獲得的角速度小，也就是保持原有轉(zhuǎn)動狀態(tài)的慣性大；反之，轉(zhuǎn)動慣量小的剛體所獲得的角速度大，也就是保持原有轉(zhuǎn)動狀態(tài)的慣性小。

　　進(jìn)動性

　　當(dāng)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，若外力矩作用于外環(huán)軸，陀螺儀將繞內(nèi)環(huán)軸轉(zhuǎn)動；若外力矩作用于內(nèi)環(huán)軸，陀螺儀將繞外環(huán)軸轉(zhuǎn)動。其轉(zhuǎn)動角速度方向與外力矩作用方向互相垂直。這種特性，叫做陀螺儀的進(jìn)動性。進(jìn)動角速度的方向取決于動量矩H的方向（與轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)角速度矢量的方向一致）和外力矩M的方向，而且是自轉(zhuǎn)角速度矢量以最短的路徑追趕外力矩。如右圖。

　　進(jìn)動方向
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　　這可用右手定則判定。即伸直右手，大拇指與食指垂直，手指順著自轉(zhuǎn)軸的方向，手掌朝外力矩的正方向，然后手掌與4指彎曲握拳，則大拇指的方向就是進(jìn)動角速度的方向。

　　進(jìn)動角速度的大小取決于轉(zhuǎn)子動量矩H的大小和外力矩M的大小，其計(jì)算式為進(jìn)動角速度ω=M/H。

　　進(jìn)動性的大小也有三個(gè)影響的因素：

　　1.外界作用力愈大，其進(jìn)動角速度也愈大；

　　2.轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量愈大，進(jìn)動角速度愈?。?/p>

　　3.轉(zhuǎn)子的角速度愈大，進(jìn)動角速度愈小。