陀螺儀為何旋轉不倒,原理是什麼?

陀螺儀你玩過沒有?

陀螺儀陀螺儀

這個堪稱神奇的玩意兒就像變魔術一樣,只要中心保持高速旋轉它就是不倒翁,給它一個支點不但可以傾斜著旋轉,還能站在一根細線上甚至筆尖上旋轉,給我都能玩一整天。

陀螺儀為何旋轉不倒,原理是什麼?

我們通常說的和玩的陀螺儀,就是一個簡單的機械裝置,裡面由一個陀螺轉子與旋轉軸相連,外圍是由兩個支架組成。

陀螺儀是用高速迴轉體的動量慣性沿一個或兩個軸運動裝置,其主要特點是穩定性和定軸性,小小的陀螺儀無處不在,不可或缺,在手機,VR眼鏡,體感遊戲,飛機平衡等產品上都有使用,陀螺儀也被稱為平衡神器。

陀螺儀為何旋轉不倒,原理是什麼?

在中國古代有一種有趣的取暖器具叫被中香爐,這個香爐的神奇之處是將取暖的炭火放入中心,無論外面的球如何轉動,在重力作用下中間的炭火盆會始終保持水平不倒,萬向支架的作用就是,為了保證裡面物體的平衡狀態不被干擾,這跟陀螺儀的結構是一樣的。

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古代還出現了另一種玩具叫竹片蜻蜓,這種玩具也被叫陀螺,“陀螺”這個術語最早是由法國物理學家博科提出的,在英語中它是沿軸“迴轉體”的意思,所以竹片蜻蜓這種在空中沿軸轉的迴轉體也是一種陀螺,這樣看來,雜技中的轉碟,耍盤子,還有地球等,都可以叫做陀螺。

陀螺儀的中間部份就是我們熟悉的陀螺,弄清楚了陀螺掌握平衡的原因,是否就掌握了陀螺儀平衡的秘密呢?

中國是陀螺的故鄉,它是我國民間最古老的玩具之一,吸引了一代又一代人,傳統的陀螺是用木製的倒圓錐形,繩子纏繞陀螺,用力拉繩使其旋轉,用繩抽打讓其持續旋轉,陀螺的玩法五花八門,有畫圈圈,持久旋轉,擲遠比賽等,遊戲規則也根據不同玩法而不同。

陀螺儀為何旋轉不倒,原理是什麼?

近年來在年輕人中間流行一種陀螺的新玩法,這種指尖陀螺正在悄悄的流行起來,它與傳統陀螺很相似,只需要幾根手指就能讓其旋轉。

陀螺儀為何旋轉不倒,原理是什麼?

人們一直在尋找永恆旋轉,平衡不倒陀螺的這種極致境界,雖然這種平衡很難達到,但現實生活中,讓陀螺在較長時間內保持平衡不倒也是可以做到的。

陀螺儀為何旋轉不倒,原理是什麼?

我們在玩陀螺時纏繞陀螺的線要繞在陀螺的重心上,陀螺的重心在距上平面三分之二的位置,如果沒有纏繞在這個位置,陀螺受到的拉力與繩子纏繞的方向上下擺動,使轉軸不斷的發生偏轉,大量的力量就在這偏轉的過程中分散流失了,使得陀螺很難圍繞一個穩定的軸旋轉,就很難轉起來。

陀螺儀為何旋轉不倒,原理是什麼?

如果纏繞在陀螺的重心上,這樣就可以把力量全部傳遞給重心,保持高速地旋轉,陀螺上的每一個點與轉軸對稱的點都同時承載著相等的離心作用,再由於中心的位置位於轉軸上,能最大限度的減少旋轉過程中重心對轉軸的偏轉影響,極大的增加旋轉的穩定性,就能保持陀螺垂直於地面持久不倒。

陀螺儀為何旋轉不倒,原理是什麼?

要想陀螺儀不倒就要讓它高速旋轉,陀螺儀的這個轉速一般在每分鐘上萬次,這個轉速必須夠快,旋轉軸會一直穩定指向一個方向,外圍支架無論怎么旋轉,裡面的陀螺能夠依然保持原有的指向性不變。

其實陀螺儀就是高速旋轉的陀螺,與靈活轉動抗干擾的萬向支架,就組成了晃動空間裡動態狀態中能指示方向的陀螺儀。

陀螺儀發明後首先套用在飛機上,後來又被用在飛彈上,採用陀螺儀確定方向和角度,就可計算出飛行路線,從而進行姿態控制。

陀螺儀為何旋轉不倒,原理是什麼?

你是不是覺得,手機陀螺儀就是把機械陀螺儀縮小了裝在手機主機板上的,其實我也是這么想的,但永遠不要低估科技的力量,現在都發展到有雷射陀螺儀,光纖陀螺儀,以及微機電陀螺儀,雖然還叫陀螺儀,但其原理跟機械陀螺儀完全不一樣,

雷射陀螺儀的原理是利用光程差來測量旋轉角速度,在閉合光路中,由同一光源發出的沿順時針方向和反時針方向傳輸的兩束光和光干涉,利用檢測相位差或干涉條紋的變化,就可以測出閉合光路旋轉角速度。主要用於航空,航天,國防等高端領域。

光纖陀螺儀的原理是利用光程的變化檢測出兩條光路的相位差,就可以測出光路旋轉角速度,主要用於航空,航海,航天和國防工業和農業領域。

微機電陀螺儀MEMS一般會用在手機等電子產品上,通常有兩個方向的可移動電容板,徑向的電容板加震盪電壓迫使物體做徑向運動,橫向的電容板測量由於橫向運動帶來的電容變化,所以由電容的變化可以計算出角速度。

陀螺儀為何旋轉不倒,原理是什麼?

所以手機陀螺儀又叫角速度感測器,主要是測量物理量是偏轉、傾斜時的轉動角速度。

傳統的慣性陀螺儀都是機械式的,它的精度不是很高,隨著技術的發展,現在更多的是利用晶片來實現陀螺儀的功能,一般用在航空航天,手機,導航等高精度,高靈敏度的領域,其結果也更加複雜。

現在的陀螺儀套用好像高大上,但在我們生活中處處可見,腳踏車上的輪子沿著中心軸運動,這就成了一個陀螺儀,所以只要輪子轉動騎車人就不會倒下,動物界中也存在陀螺儀,見下圖,看來陀螺儀也不光是人類的專有的啊。

陀螺儀為何旋轉不倒,原理是什麼?

所以,陀螺儀不僅僅是用在手機里那么簡單,大到航海,航空和航天,飛彈、衛星運載器,國防等領域,並且地面設施、礦山隧道、地下鐵路、石油鑽探都離不開它。在生活中汽車導行,手機,環境監控等領域都需要陀螺儀的參與。

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