История создания гироскопа

История создания гироскопа

Гироскоп — волчок в подвесе Кардана, допускающем поворот относительно трех осей, был создан в 1802 году немецким астрономом Боненбергом. Первоначально это была игрушка, которую порой использовали для доказательства вращения Земли.

Некоторое же время спустя гироскопом заинтересовались мореходы. Развитие морских сообщений потребовало прибора более точного, чем магнитный компас Особенно необходим он был для плавания в высоких широтах, где из-за близости геомагнитного полюса обычный компас становился бесполезным.

Изобретатели обратились к гироскопу, прибору, способному сохранять направление оси вращения. Но что интересно, многие из них были людьми весьма далекими от техники.

Идею гирокомпаса впервые предложил священник из Голландии Ван дер Бост. Экспериментально осуществил ее в 1898 году немецкий профессор психологии Н.Ах, а практически пригодный прибор создал Герман Аншютц-Кемпфе, доктор философии и специалист по венецианским художникам.

Наконец, автором гироскопического автопилота, без которого ныне не обходится ни один самолет, стал актер из Берлина Иоганн Бойков. Лейтенант Обри, разработавший гироскопический прибор для управления торпедой, был в этом ряду чуть ли не исключением.

В 1909 году русский изобретатель П.П. Шиловский предложил и построил однорельсовый вагон, устойчивость которого обеспечивалась при помощи массивного гироскопа. Новинка, как представлялось, сулила громадную экономию средств при строительстве железных дорог. Одно время проблемой занялись ученые Германии, Англии. А писатель-фантаст Герберт Уэллс уже мысленно перебросил однорельсовую дорогу через Ла-Манш.

Но создать достаточно надежный вагон для подобных трасс не удалось. Шиловский же увлекся другим делом. Гироскопический прибор его конструкции впервые в истории авиации в 1917 году был поставлен на «летающие крепости» типа «Илья Муромец» и использовался для их вождения в темноте и тумане.

Ныне проблемы одноколейного гироскопического транспорта теоретически решены, есть и опытные образцы подобных автомобилей. Гироскоп стал незаменимым в авиации, на флоте, в ракетной и военной технике.

По материалам журнала «ЮТ»

Знаете ли вы?

. немного о замерзании воды

Расширение воды при замерзании и ее закипание при пониженном давлении были открыты лишь в семнадцатом столетии искусным английским экспериментатором Робертом Бойлем.

. Из морской воды образуется исключительно прочный полярный лед. Иная точка зрения, разделявшаяся, судя по эпиграфу, Ломоносовым, «не позволила» пробиться к Северному полюсу ни одной из экспедиций XVII—XIX веков, так как парусники всякий раз застревали в мощных льдах.

. Способ приготовления мороженого поначалу охраняли как большой секрет. Напрасно опытные повара при многих европейских дворах пытались заморозить смесь из взбитых сливок и фруктовых соков, пользуясь льдом в обычных погребах. Оказывается, дело было в добавлении соли – перемешивая ее с колотым льдом, можно было значительно понизить температуру, вплоть до полного замерзания смеси.

. Одна из особенностей льда заключается в том, что температура его плавления, в отличие от большинства веществ, понижается с увеличением давления. Однако этот эффект не отвечает за появление водяной смазки под лезвием коньков, чем долгие годы пытались объяснить их легкое скольжение по льду.

Введение

Гироскоп- это динамически сбалансированное тело вращения, которое с большой скоростью поворачивается вокруг оси, укрепленной в рамке, и имеет, по крайней мере, одну неподвижную точку. В переводе с греческого “гироскоп” означает указатель вращения. Поэтому под гироскопом можно понимать любой измеритель, выходной параметр которого зависит от скорости вращения.

Бурное развитие техники в последние десятилетия неразрывно связано с совершенствованием различных систем управления движущимися объектами. Системы управления торпедами, морскими кораблями, самолетами, ракетами и космическими объектами трудно представить себе без гироскопических приборов.

История развития

До изобретения гироскопа человечество использовало различные методы определения направления в пространстве. Издревле люди ориентировались визуально по удалённым предметам, в частности, по Солнцу. Уже в древности появились первые приборы: отвес и уровень, основанные на гравитации. В средние века в Китае был изобретён компас, использующий магнетизм Земли. В Европе были созданы астролябия и другие приборы, основанные на положении звёзд.

Гироскоп изобрёл Иоганн Боненбергер и опубликовал описание своего изобретения в 1817 году. Однако французский математик Пуассон ещё в 1813 году упоминает Боненбергера как изобретателя этого устройства. Главной частью гироскопа Боненбергера был вращающийся массивный шар в кардановом подвесе. В 1832 году американец Уолтер Р. Джонсон придумал гироскоп с вращающимся диском. Французский учёный Лаплас рекомендовал это устройство в учебных целях. Первое практическое применение гироскоп нашел в 1852 году , когда французский ученый Л. Фуко с помощью гироскопа подтвердил свой эксперимент с маятником, доказавший вращение Земли. Первый гироскопы имели большие погрешности, обусловленные несбалансированностью отдельных частей прибора, инерцией рамок, люфтами в соединениях, неравномерным трением в опорах кардана и т.п. Преимуществом гироскопа перед более древними приборами является то, что он правильно работает в сложных условиях. Однако гироскоп быстро останавливался из-за трения. Впервые на практике гироскоп был применён в 1880-х годах инженером Обри для стабилизации курса торпеды. В XX веке гироскопы стали использоваться в самолётах, ракетах и подводных лодках вместо компаса или совместно с ним.

Успехи в развитии квантовой электроники привели к созданию нового научного направления, которое можно назвать квантовой гироскопией.

Классификация

Основные типы гироскопов:

1. механические гироскопы

2. вибрационные гироскопы

3. квантовые гироскопы

4. оптические гироскопы

Рисунок 1. Роторный гироскоп

Среди механических гироскопов выделяется роторный гироскоп – быстро вращающееся твёрдое тело, ось вращения которого способна изменять ориентацию в пространстве. Это показано на рисунке 1. При этом скорость вращения гироскопа значительно превышает скорость поворота оси его вращения. Основное свойство такого гироскопа — способность сохранять в пространстве неизменное направление оси вращения при отсутствии воздействия на неё моментов внешних сил. Впервые это свойство использовал Фуко в 1852 г. для экспериментальной демонстрации вращения Земли. Именно благодаря этой демонстрации гироскоп и получил своё название от греческих слов «вращение», «наблюдаю».

Вибрационные гироскопы — устройства, сохраняющие свои колебания в одной плоскости при повороте. Данный тип гироскопов является намного более простым и дешёвым при сопоставимой точности по сравнению с роторным гироскопом. В зарубежной литературе также употребляется термин «Кориолисовы вибрирующие гироскопы» — так как принцип их действия основан на эффекте силы Кориолиса, как и у роторных гироскопов.

Квантовая гироскопия — собирательный термин для названия новой области квантовой электроники, занимающейся изучением принципов и возможностей создания устройств, в основу действия которых положены гироскопические свойства частиц, образующих рабочие тела датчика прибора. Эти свойства могут быть обусловлены спиновыми и орбитальными моментами атомных ядер, атомов, электронов или фотонов. Гироскоп находится в рабочем состоянии, когда механические моменты частиц предварительно ориентированы в некотором направлении. Приборы такого рода получили собирательное название квантовых гироскопов, в отличие от классических механических гироскопов, необходимым элементом которых является вращающееся или колеблющееся тело. Измеряемыми величинами в приборах такого рода являются, например, частоты вынужденных когерентных квантовых переходов между энергетическими подуровнями, соответствующими различным возможным значениям проекций механического момента частиц на физически выделенное направление. Вращение приборов вызывает смещение или расщепление энергетических подуровней системы, измерение частот переходов между которыми и позволяет обнаружить это вращение, а также определить направление и величину его угловой скорости.

Оптические гироскопы. Делятся на волоконно-оптические и лазерные гироскопы. Принцип действия основан на эффекте Саньяка и теоретически объясняется с помощью специальной теорией относительности (СТО). Согласно СТО скорость света постоянна в любой инерциальной системе отсчёта. В то время как в неинерциальной системе она может отличаться от нее. При посылке луча света в направлении вращения прибора и против направления вращения разница во времени прихода лучей (определяемая интерферометром) позволяет найти разницу оптических путей лучей в инерциальной системе отсчёта, и, следовательно, величину углового поворота прибора за время прохождения луча.

История создания гироскопа и гироскопических приборов

В Пермском музее науки и техники ОАО «ПНППК» в рамках цикла еженедельных просветительских встреч состоялась беседа с доцентом ПГНИУ Николаевым Юрием Константиновичем об истории создания гироскопа и гироскопических приборов.

СПРАВКА

Автор и ведущий: Николаев Юрий Константинович, доцент ПГНИУ, действительный член Международной туристской академии, член геральдической комиссии при губернаторе Пермского края, член союза журналистов России, председатель Пермского отделения Всероссийского геральдического общества, член союза геральдистов России.

До изобретения гироскопа человечество использовало различные методы определения направления в пространстве. Издревле люди ориентировались визуально по удалённым предметам, в частности, по Солнцу. Уже в древности появились первые приборы: отвес и уровень, основанные на гравитации. В средние века в Китае был изобретён компас, использующий магнетизм Земли. В Европе были созданы астролябия и другие приборы, основанные на положении звёзд. Гироскоп изобрёл Иоганн Боненбергер в 1802 году и опубликовал описание своего изобретения в 1817 году. Однако французский математик Пуассон ещё в 1813 году упоминает Боненбергера как изобретателя этого устройства. Главной частью гироскопа Боненбергера был вращающийся массивный шар в кардановом подвесе. В 1832 году американец Уолтер Р. Джонсон придумал гироскоп с вращающимся диском. Карда́нов подве́с — универсальная шарнирная опора, позволяющая закреплённому в ней объекту вращаться одновременно в нескольких плоскостях. Главным свойством карданова подвеса является то, что если в него закрепить вращающееся тело, то оно будет сохранять направление оси вращения независимо от ориентации самого подвеса. Это свойство нашло применение в гироскопах, применяющихся в авиации и космонавтике. Держатели судовых компасов или просто сосудов с питьём в транспортных средствах тоже используют карданов подвес, который позволяет предмету находиться в вертикальном положении несмотря на толчки и тряску. Подвес получил своё название по имени Джероламо Кардано (1501 — 1576), который не только не изобрёл его, но даже и не претендовал на авторство: он описал это устройство в своей получившей широкую известность книге «De subtilitate rerum» («Хитроумное устройство вещей», 1550 г.). Карданов подвес был впервые изобретён греческим инженером Филоном Византийским в III в. до н.э. В одном из своих трудов Филон описывает восьмигранную чернильницу с отверстиями на каждой стороне. Можно было перевернуть восьмигранник любой стороной кверху, но чернила не проливались. Секрет заключался в том, что чернильница находилась в центре хитроумно установленных концентрических металлических колец, поэтому она сохраняла устойчивость независимо от положения. После античности карданов подвес был широко известен в мусульманском мире. В IX веке, через 1100 лет после изобретения, устройство стало снова известно в Европе благодаря арабам. А еще через 800 лет известный учёный Роберт Гук и другие изобретатели стали использовать этот принцип не для стабилизации центрального элемента, а для приложения внешних сил. Этому западному изобретению дали название универсального шарнира Гука. Именно оно легло в основу механизма силовой передачи современных автомобилей.

Самое раннее упоминание этого устройства в китайской литературе относится к 140 г. до н.э. Предполагаемым изобретателем устройства считается Фан Фэн. Подвес Фан Фэна применялся в масляных лампах, в которых лампадка крепилась на кольцах, скрепленных в двух противоположных точках, что позволяло сохранять ей вертикальное положение. Принцип данного устройства был вскоре забыт. В сочинении «Всесторонние записки западной столицы», изданном в 189 г., сообщается что создателем «курительницы для постели» с применением особого подвеса был Дин Хуань. После этого карданов подвес часто применялся в разных устройствах. Начиная с эпохи Сун, с помощью карданова подвеса крепилось сиденье императора на паланкине, что позволяло сидеть ему вертикально, даже если носильщики наклоняли паланкин. В 1852 году французский учёный Фуко усовершенствовал гироскоп и впервые использовал его как прибор, показывающий изменение направления, через год после изобретения маятника Фуко, тоже основанного на сохранении вращательного момента. Именно Фуко придумал название «гироскоп». Фуко, как и Боненбергер, использовал карданов подвес. Преимуществом гироскопа перед более древними приборами является то, что он правильно работает в сложных условиях (плохая видимость, тряска, электромагнитные помехи). Однако гироскоп быстро останавливался из-за трения. Во второй половине XIX века Труве предложил использовать электродвигатель для разгона и поддержания движения гироскопа. Впервые на практике гироскоп был применён в 1896 году австрийским инженером Л.Обри для стабилизации курса торпеды. Следующее применение гироскопа в технике также относится к морскому делу. Гироскоп использовали при разработке морского указателя курса – гирокомпаса. Прототип современного гирокомпаса первым создал Герман Аншютц-Кэмпфе (запатентован в 1908), вскоре подобный прибор построил американский инженер Э. Сперри (запатентован в 1911). История изобретения гирокомпаса такова: немецкий инженер Герман Аншютц-Кэмпфе предложил проект экспедиции подводной лодки на северный полюс Земли. Для ориентации подводной лодки был необходим прибор для указания курса. Магнитный компас использовать было нельзя, так как в высоких широтах он не работает из-за больших возмущений магнитного поля Земли. К тому времени были известны работы французского инженера Артура Кребса (1889г.), который при проведении экспериментов на подводной лодке предложил смещать центр тяжести гироскопа с горизонтальным расположением оси вращения по вертикали , что фактически означало изобретение морского маятникового гирокомпаса. Экспедиция к северному полюсу Земли не состоялась, но Г. Аншютц-Кемпфе была предложена очень удачная конструктивная схема морского гирокомпаса. В последующие годы разрабатывалось множество гирокомпасов различных модификаций, но наиболее удачные из них принципиально почти не отличались от устройств Аншютца и Сперри. Э. Сперри пытался оспорить у Г.Аншютца-Кемпфе приоритет изобретения гирокомпаса в суде, но дело проиграл. Главным экспертом в этом судебном деле был Альберт Эйнштейн, который встал на сторону Г.Аншютца-Кемпфе. Морские гирокомпасы современной конструкции значительно усовершенствованы по сравнению с первыми моделями; они отличаются высокой точностью и надежностью и удобнее в эксплуатации. В XX веке гироскопы стали использоваться в самолётах, ракетах и подводных лодках. Русская авиация не только не отставала от зарубежных стран в деле использования гироскопических приборов на самолете, но часто являлась пионером их внедрения. Так, например, в 1917 г. русские летчики А.Н. Журавченко и Г.Н. Алехнович совершили на самолете «Илья Муромец» слепой полет, выдерживая прямолинейный курс в заданном направлении по гироскопическому указателю поворотов. Этот прибор, разработанный П.П. Шиловским специально для авиации, позволил провести самолет по заранее намеченному курсу при полном отсутствии видимости земных ориентиров. Работы советских ученых А.Н. Крылова, Б.В. Булгакова, С.С. Тихменева, Г.В. Коренева, А.Р. Бонина, Г.О. Фридлен-дера и многих других в содружестве с выдающимися конструкторами Е.Ф. Антиповым, Е.В. Ольманом, Р.Г. Чичикяном, А.И. Марковым и другими талантливыми инженерами обеспечили оснащение советской авиации высококачественными гироскопическими приборами. В двадцатых годах XX столетия в дополнение к указателю поворотов создаются авиационные гироскопические указатели, курса и горизонта, которые стали в настоящее время обязательными навигационными приборами самолета любого типа. В начале тридцатых годов советские конструкторы Д.А. Браславский, М.М. Качкачян и М.Г. Эйлькинд первыми в мире разработали, построили и испытали гиромагнитный компас, получивший в настоящее время широкое распространение в авиации всех стран мира. Идею определения местоположения объекта с помощью двукратного интегрирования по времени проекций вектора ускорения, измеряемого на борту, запатентовал Рейнгард Вуссов в 1905 году. Для этого он предложил поместить на объекте акселерометр, ось чувствительности которого стабилизировалась с помощью свободного гироскопа. Указанная заявка в своей основе содержала идею метода навигации, в дальнейшем названного инерциальным. Суть этого метода состоит в определении координат объекта посредством расположенных на нем гироскопов, маятников (акселерометров) и часов без использования во время движения сторонней информации. Кроме того, практически одновременно с Вуссовым были запатентованы идеи американского и русского изобретателей М. Керри (1903 г.) и В.В. Алексеева (1911 г.) инерциальных систем геометрического типа, которые должны обеспечивать определение координат объекта, движущегося на поверхности вращающегося земного шара. В 30е годы XX века были сформулированы основные принципы инерциальной навигации. Историю инерциальной навигации в нашей стране принято начинать с момента разработки в 1932 году авиационной приборной вертикали с интегральной коррекцией, невозмущаемой горизонтальными силами инерции. В дальнейшем идею этой разработки стали называть схемой Л.М. Кофмана и Е.Б. Левенталя. В соответствии с этой схемой гироплатформа с жестко связанными с нею двумя ньютонометрами (акселерометрами) управлялась сигналами, пропорциональными интегралам от показаний ньютонометров, причем коэффициент пропорциональности выбирался так, чтобы выполнялись условия невозмущаемости. Как легко показать, такое устройство является моделью маятника Шулера. Оно послужило прообразом инерциальных навигационных систем с горизонтируемой платформой. Следует заметить, что схема, близкая к схеме Кофмана-Левенталя, была предложена в Германии в 1934 году Иоганном Бойковым. В годы второй мировой войны в Германии были созданы первые гироскопические ракетные приборы. Система гироскопических приборов ракеты Фау-2, состоящая из гирогоризонта, гировертиканта и гироскопического датчика регулирования скорости полета, стала классической системой гироприборов в ракетной технике, не потерявшей своей актуальности и в настоящее время.

Литература.

1. Johann G. F. Bohnenberger (1817) «Beschreibung einer Maschine zur Erläuterung der Gesetze der Umdrehung der Erde um ihre Axe, und der Veränderung der Lage der letzteren» («Описание машины для объяснения законов вращения Земли вокруг своей оси и изменения направления последней») Tübinger Blätter für Naturwissenschaften und Arzneikunde, vol. 3, pages 72-83. В интернете: http://www.ion.org/museum/files/File_1.pdf

2. Simeon-Denis Poisson (1813) «Mémoire sur un cas particulier du mouvement de rotation des corps pesans» («Статья об особом случае вращательного движения массивных тел»), Journal de l’École Polytechnique, vol. 9, pages 247—262. В интернете: http://www.ion.org/museum/files/File_2.pdf

4.Walter R. Johnson (January 1832) “Description of an apparatus called the rotascope for exhibiting several phenomena and illustrating certain laws of rotary motion, ” The American Journal of Science and Art, 1st series, vol. 21, no. 2, pages 265—280. В интернете: http://books.google.com/books?id=BjwPAAAAYAAJ&pg=PA265&lpg=PR5&dq=Johnson+rotascope&ie=ISO-8859-1&output=html

5. Illustrations of Walter R. Johnson’s gyroscope («rotascope») appear in: Board of Regents, Tenth Annual Report of the Board of Regents of the Smithsonian Institution…. (Washington, D.C.: Cornelius Wendell, 1856), pages 177—178. В интернете: http://books.google.com/books?id=fEyT4sTd7ZkC&pg=PA178&dq=Johnson+rotascope&ie=ISO-8859-1&output=html

6. Wagner JF, “The Machine of Bohnenberger, ” The Institute of Navigation. В интернете: http://www.ion.org/museum/item_view.cfm?cid=5&scid=12&iid=24

7. L. Foucault (1852) “Sur les phénomènes d’orientation des corps tournants entraînés par un axe fixe à la surface de la terre, ” Comptes rendus hebdomadaires des séances de l’Académie des Sciences (Paris), vol. 35, pages 424—427. В интернете: http://www.bookmine.org/memoirs/pendule.html . Scroll down to «Sur les phénomènes d’orientation …»

8. (1) Julius Plücker (September 1853) “Über die Fessel’sche rotationsmachine, ” Annalen der Physik, vol. 166, no. 9, pages 174—177; (2) Julius Plücker (October 1853) “Noch ein wort über die Fessel’sche rotationsmachine, ” Annalen der Physik, vol. 166, no. 10, pages 348—351; (3) Charles Wheatstone (1864) “On Fessel’s gyroscope, ” Proceedings of the Royal Society of London, vol. 7, pages 43-48.

История создания гироскопа

Что такое гироскоп?

Гироскоп – это устройство, способное реагировать на изменение углов ориентации тела, на котором оно установлено, относительно инерциальной системы отсчета.

Гироскопы представляют собой вращающиеся с высокой частотой твердые тела.

Простейший пример гироскопа – юла (волчок).

Гироскопический прибор – это техническое устройство, в котором в качестве основного элемента используется быстро вращающийся ротор, закрепленный таким образом, чтобы его ось вращения поворачивалась. Гироскопические приборы широко используются для решения навигационных задач либо в системах ручного и автоматического управления движением различных объектов.

Появление термина гироскоп.

Термин «гироскоп» впервые был использован Жаном Фуко, французским физиком, механиком и астрономом, в 1852 году в докладе во Французской Академии Наук. Доклад Жана Бернара Леона Фуко был посвящён способам экспериментального обнаружения вращения Земли в инерциальном пространстве.

История создания гироскопа.

До изобретения гироскопа люди использовали различные методы определения направления в пространстве. Вначале люди начали ориентироваться визуально по удалённым предметам, в частности, по Солнцу.

Уже в древности появились первые приборы, основанные на гравитации: отвес и уровень.

В средние века в Китае был изобретён компас, использующий магнетизм Земли.

В Древней Греции были созданы астролябия и другие приборы, основанные на измерениях относительно положения звёзд.

Первые прототипы современного гироскопа начали появляться в начале 19-го века.

Так, устройство, которое можно назвать гироскопом, изобрёл Иоганн Боненбергер, который в 1817 году опубликовал описание своего изобретения. А французский математик Пуассон, уже в 1813 году, упоминает Иоганна Боненбергера как изобретателя подобного устройства. Главной частью гироскопа Боненбергера был вращающийся массивный шар в кардановом подвесе.

В 1832 году американец Уолтер Р. Джонсон придумал гироскоп с вращающимся диском.

В 1852 году французский учёный Жан Фуко усовершенствовал подобное устройство, и дал ему название «гироскоп».

Именно Жан Фуко придумал название «гироскоп». Можно отметить, что Фуко, как и Боненбергер, использовал в гироскопе карданов подвес.

На фотографии гироскоп, изобретённый Жаном Фуко, изготовленный французским механиком Дюмолен-Фроментом, в 1852 году.

Главным свойством карданова подвеса является то, что если в него закрепить вращающееся тело, то оно будет сохранять направление оси вращения независимо от ориентации самого подвеса. Это свойство нашло применение в гироскопах и гироскопических приборах.

Начало использования гироскопов.

В первых гироскопах скорость вращения быстро снижалась из-за силы трения. Во второй половине 19-го века было предложено для разгона и поддержания скорости вращения гироскопа использовать электродвигатель.

Преимуществом гироскопа и гироскопических приборов перед другими более древними приборами, использовавшимися при измерениях, явилось то, что он правильно работает в сложных условиях. Например, плохая видимость, различные колебания, тряска, и электромагнитные воздействия.

Впервые на практике гироскопический прибор был применён в 1880-х годах австрийским инженером Л.Обри для стабилизации курса торпеды.

Следующее применение гироскопа в технике также относится к морскому делу. Гироскоп использовали при разработке морского указателя курса – гирокомпаса. Прототип современного гирокомпаса первым создал Герман Аншютц-Кэмпфе (запатентован в 1908), вскоре подобный прибор построил американский инженер Э. Сперри (запатентован в 1911).

В 20-м веке гироскопы стали широко использоваться на самолётах, вертолетах, ракетах, подводных лодках, вместо компаса или совместно с ним.

Гироскопы. Использование гироскопов.

Свойства гироскопа используются в приборах – гироскопах, основной частью которых является быстро вращающийся ротор, который имеет несколько степеней свободы (осей возможного вращения).

Чаще всего используются гироскопы, помещённые в карданов подвес. Такие гироскопы имеют 3 степени свободы.

Гироскопы, у которых центр масс совпадает с центром подвеса O, называются астатическими, в противном случае – статическими гироскопами.

Для обеспечения вращения ротора гироскопа с высокой скоростью применяются специальные гиромоторы.

Для управления гироскопом и снятия с него информации используются датчики угла и датчики момента.

Гироскопы используются в виде компонентов как в системах навигации (авиагоризонт, гирокомпас и т. п.), так и в системах ориентации и стабилизации различных аппаратов.

Развитие гироскопических приборов.

Постоянно растущие требования к точностным и эксплуатационным характеристикам гиро-приборов заставили ученых и инженеров многих стран мира не только усовершенствовать классические гироскопы с вращающимся ротором, но и искать принципиально новые идеи, позволившие решить проблему создания чувствительных датчиков для измерения и отображения параметров углового движения объекта.

В настоящее время известно более ста различных явлений и физических принципов, которые позволяют решать гироскопические задачи. В США, ЕС, Японии, России выданы тысячи патентов и авторских свидетельств на соответствующие открытия и изобретения.

Поскольку прецизионные гироскопы используются в системах наведения стратегических ракет большой дальности, во время холодной войны информация об исследованиях, проводимых в этой области, классифицировалась как сверхсекретная.

Сегодня созданы достаточно надежные и точные гироскопические системы, удовлетворяющие большой круг потребителей.

Современные гироскопические приборы работают и обеспечивают высокую точность необходимых измерений в любом месте – под землёй, под водой, в космосе.

Гироскоп. Что такое гироскоп? История гироскопа. Принцип работы гироскопа.

Русский изобретатель во главе мирового прогресса: история забытых гирокаров

Чтобы максимально просто объяснить суть гирокаров, нужно начать с детской игрушки — юлы. С технической точки зрения юла — это маховик, способный долго удерживать заложенную в нём кинетическую энергию, сохранять горизонтальное положение и служить мотором для привода различных механизмов. Комплектное устройство с быстровращающимся маховиком получило название гироскоп (от греческого «гиро» — колесо) и послужило источником энергии для уникальных гирокаров и даже гиробусов.

Первенство по применению маховиков на транспорте принадлежит России. Еще в XVIII веке изобретатель Иван Кулибин оснастил свою «самокатку» горизонтальным маховиком, который набирал энергию на спусках и затем помогал «водителю» на подъёмах. В 1860 году эту идею развил инженер путей сообщения Карл Шуберский, предложивший повозку для доставки грузов по рельсам, которую назвал маховозом.

Между задних колес повозки Кулибина хорошо виден маховик. 1791 год

Газетная реклама американской легковушки с гироскопом. 1908 год

В 1905 году англичанин Фредерик Ланчестер получил патент на простейшую четырехколесную тележку с вертикальным маховиком и механическим приводом колес. Позднее американская фирма Gyroscope Car безуспешно пыталась наладить выпуск гирокаров без сцепления и коробки передач, внешне не отличавшихся от обычных легковушек. Их оборудовали 16-сильным бензиновым мотором для разгона горизонтального маховика и цепной передачей на колеса.

Легендарный русский гирокар Шиловского

Первую и единственную в мире полноценную самоходную безрельсовую машину с гироскопом разработал и построил известный русский государственный деятель и талантливый изобретатель-самоучка граф Петр Петрович Шиловский. Это был «богато одарённый человек с огромным честолюбием», перу которого принадлежали многие оригинальные проекты и монографии по теории, конструированию и применению гирокаров. Впервые свою идею маховоза он воплотил в жизнь в 1911 году, представив модель однорельсовой железной дороги с тремя вагончиками, снабженными вращавшимися маховичками.

На следующий год Шиловский взялся за реализацию своего главного изобретения — двухколесного одноколейного автомобиля с маховиком, обеспечивавшим ему устойчивость как во время движения, так и на стоянке.

Первый вариант гирокара Петра Шиловского с двумя опущенными опорными колёсиками. 1913 год

Слишком сложная, дорогая и непонятная машина не получила поддержки Царского правительства, и в 1912 году изобретатель уехал в Англию. Там за сборку гироскопического автомобиля Gyrocar взялась компания Wolseley Tool and Motor Car из Бирмингема, и впоследствии за границей гирокар Шиловского всегда считали разработкой и приоритетной собственностью Великобритании.

Окончательный вариант машины Шиловского с 24-сильным мотором Wolseley. Осень 1913 года

Работы над гирокаром начались в октябре 1912 года с испытания двигателя и рессор подвески. Шасси было готово 14 июля 1913-го, а комплектный автомобиль появился глубокой осенью того же года. 27 ноября его завели, подняли боковые поддерживающие колёса, и он благополучно проехал несколько метров, не опрокинувшись. 28 апреля 1914 года в центре Лондона состоялся первый публичный показ машины с пассажирами, которая передвигалась со скоростью пешехода, демонстрируя свою феноменальную устойчивость.

Петр Шиловский на своем гирокаре (на переднем сиденье справа). Лондон, июнь 1914 года

Демонстрационный показ гироскопического авто на улицах Лондона. Лето 1914 года

Автомобиль Шиловского представлял собой крупную, сложную и тяжелую машину массой около трёх тонн с открытым четырехместным кузовом на лонжеронном шасси. В её передней части устанавливался обычный четырехцилиндровый мотор в 24 силы от легковушки Wolseley 16/20НР. От него крутящий момент на заднее ведущее колесо передавался через сцепление, четырехступенчатую коробку передач, цепную и карданную передачи и червячный редуктор. Передняя подвеска напоминала развитую вилку мотоцикла, заднее колесо подвешивалось на двух продольных консольных рессорах.

Шасси с четырехметровой колесной базой дает общее представление о конструкции гирокара

На виде спереди видна мощная трубчатая подвеска на двух продольных консольных рессорах

Одновременно двигатель приводил электрогенератор, подававший ток на электромотор, который за 8–10 минут разгонял горизонтальный кованый маховик диаметром чуть более одного метра до 3000 оборотов в минуту. Он весил 610 килограммов, имел толщину 12 сантиметров и размещался между сиденьями в средней части машины.

Эскизы компоновки гирокара и размещения основных узлов из монографии Шиловского

Управление гироскопом обеспечивали вертикальная наклонявшаяся обойма маховика и запутанная система маятников, зубчатых секторов, шестерен и шариковых датчиков, заставлявшая верхний конец вала маховика отклоняться вперед или назад. При падении оборотов автоматически включался разгонный электромотор, возвращавший автомобиль в вертикальное положение.

С началом Первой мировой войны Шиловский вернулся в Россию, а в 1915-м «в целях обеспечения сохранности при бомбежках» англичане «надежно спрятали» гирокар, просто сбросив его в яму, выкопанную близ соседней железнодорожной станции. И на 20 с лишним лет о нём забыли.

На родине Шиловский пытался организовать строительство однорельсовой железной дороги, но в 1922-м ее финансирование прикрыли, и Шиловский навсегда уехал в Англию. По его настоянию в 1938 году полусгнившую машину эксгумировали, подреставрировали и поместили в музей фирмы Wolseley. Через десять лет её отправили на слом.

Эксгумация легендарного гирокара, пролежавшего в земле 23 года. 1938 год

История создания гироскопа

Определение термина гироскоп как быстро вращающегося тела, ось вращения которого может изменять свое направление в пространстве. Схема модели первого гироскопа Фуко, его отклонение с течением времени от плоскости горизонта. Понятие прецессии гироскопа.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

УЗБЕКСКОЕ АГЕНТСТВО СВЯЗИ И ИНФОРМАТИЗАЦИИ ТАШКЕНТСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Тема: История создания гироскопа

• 1. Гироскоп. История создания гироскопа
  • 2. Основные свойства гироскопа
  • 3. Свободный гироскоп
  • 4. Несвободный гироскоп
  • 5. Прецессия гироскопа
  • Заключение
  • Список литературы
  • 1. Гироскоп. История создания гироскопа
  • Гироскоп – быстро вращающееся твёрдое тело, ось вращения которого может изменять своё направление в пространстве.
  • Гироскоп был изобретен французским физиком Жаном Бернаром Леоном Фуко (1819 – 1868) и состоит из двух греческих слов: “гирос” – вращение и “скопео” – наблюдать, смотреть, т.е. гироскоп – это “наблюдатель вращения”. Сейчас гироскопы “наблюдают” вращение самых разнообразных объектов – кораблей, самолетов, ракет, спутников и многих других. Л. Фуко, создавая свой лабораторный прибор (гироскоп), хотел с его помощью наблюдать вращение Земли относительно абсолютного пространства.
  • Идея прибора основывалась на теоретическом положении Л. Эйлера о том, что быстровращающееся тело, имеющее одну неподвижную точку и не подверженное действию моментов внешних сил, сохраняет неизменным положение оси своего вращения в абсолютном пространстве. Л. Фуко рассуждал примерно так. Поскольку Земля вращается в абсолютном пространстве, то должно наблюдаться движение предметов, расположенных на ее поверхности, по отношению к оси такого быстровращающегося тела.
  • Приступая к созданию своего прибора, Л. Фуко сразу же столкнулся с тремя взаимосвязанными проблемами, ставшими потом классическими в гироскопической технике:
  • 1) как практически реализовать тело, имеющее одну неподвижную точку и, стало быть, свободу вращения вокруг трех взаимно перпендикулярных осей;
  • 2) как раскрутить это тело вокруг одной из его осей и в дальнейшем поддерживать высокое значение угловой скорости;
  • 3) как “защитить” вращающееся тело от действия внешних возмущающих моментов,
  • В качестве тела, предназначенного для быстрого вращения, Л. Фуко выбрал маховик, который был установлен в кардановом подвесе.
  • Рис.1. Схема модели первого гироскопа Л. Фуко, 1852 г.
  • Ось вращения маховика на подшипниках была установлена в кольце, полуоси которого были выполнены в виде трехгранных призм (“ножей”). Ось вращения ножевых опор составляла прямой угол с осью вращения маховика. Стальные полированные “подушки”, на которые опирались грани ножей, были установлены в другом кольце. Это кольцо сверху с помощью шелковой нити подвешивалось к корпусу прибора, а снизу упиралось в корпус иглой. Для наблюдения за движением оси вращения маховика относительно поверхности Земли на кольце была укреплена длинная стрелка (поверхность Земли в данном приборе представляла подставка прибора со шкалой). Кольца называются соответственно внутренним и наружным кардановыми кольцами. Эти два кольца вместе с установленными на них опорами образуют механическую систему, называемую кардановым подвесом. Карданов поднес позволяет установленному в нем телу одновременно поворачиваться вокруг трех взаимно перпендикулярных осей (обеспечивает телу три вращательные степени свободы). Так, например, маховик, установленный в приборе Л. Фуко, мог вращаться вокруг собственной оси (первая степень свободы), вместе с внутренним кольцом карданова подвеса мог поворачиваться вокруг оси ножевых опор (вторая степень свободы) и вместе с внутренним и наружным кольцами карданова подвеса мог поворачиваться вокруг вертикальной оси, слегка закручивая шелковую нить (третья степень свободы).
  • В своем приборе Л. Фуко постарался в максимальной степени выполнить условия Эйлера: вращающееся тело (маховик) имело одну неподвижную точку, а именно точку пересечения осей маховика, внутреннего и наружного кардановых колец; чтобы свести к минимуму возмущающие моменты, действующие на маховик, были применены самые совершенные из известных тогда опор – ножевые опоры и шелковая нить; узел “маховик – внутреннее кольцо” был тщательно сбалансирован, то есть центр масс узла был совмещен с неподвижной точкой, что в отличие от волчка сводило к нулю момент, создаваемый силой тяжести самого узла. Отмечая низкий уровень возмущающих моментов, Л. Фуко писал, что подвижные узлы прибора “приходили в движение от малейшего дуновения”.
  • Действие своего прибора Л. Фуко продемонстрировал членам Парижской академии наук 27 сентября 1852 г.
  • С помощью специального устройства маховик был приведен в быстрое вращение и дальше работал на выбеге. Ось вращения маховика была выставлена в плоскость горизонта (направлена горизонтально). Стрелка, связанная с наружным кардановым кольцом, установлена на нулевой отметке шкалы.
  • Ожидалось, что ось маховика начнет совершать кажущийся поворот вокруг вертикальной оси прибора со скоростью, равной вертикальной составляющей скорости вращения Земли на широте Парижа.
  • Так как ожидался достаточно медленный поворот стрелки, то для наблюдения за ее движением применялся микроскоп. Опыт удался частично: только в первые минуты после запуска маховика стрелка действительно двигалась справа налево, а затем движение ее становилось хаотичным. Объяснялось это тем, что маховик слишком быстро терял скорость вращения и даже незначительные возмущающие моменты трения ножевых опор вызывали хаотическую прецессию оси маховика в плоскости горизонта.
  • Уже первые опыты обнаружили еще одно интересное свойство гироскопа – практическую безинерционность прецессионного движения маховика. Если к маховику мгновенно приложить и снять момент внешних сил (например, слегка ударить молоточком но внутреннему кольцу карданова подвеса), то также практически мгновенно возникнут и исчезнут угловая скорость прецессии и гироскопический момент. В результате внутреннее кольцо не повернется вокруг своей оси. Всякое другое материальное тело в подобной ситуации продолжало бы двигаться по инерции, отклоняясь все дальше от начального положения.
  • У маховика гироскопа движение по инерции также есть, но оно выражается не в одностороннем отклонении от начального положения, а в мелком, быстро затухающем дрожании около этого положения.
  • Мелкое, быстро затухающее дрожание маховика называется нутацией, что в переводе с латинского языка означает “колебание”.
  • В своих докладах Парижской академии наук Д. Фуко указал также на то, что маховик его прибора, лишенный одной степени свободы, должен стремиться совместить ось своего вращения с вектором абсолютной переносной скорости вращения основания. Теперь этот результат легко можно получить с помощью правила И.Е. Жуковского, во времена же Д. Фуко это было неожиданным открытием. Впечатление еще более усилилось, когда Л. Фуко пояснил, что с помощью гироскопа, имеющего только две степени свободы, можно определять направление па Северный полюс Земли и широту места установки прибора. Представим себе гироскоп, маховик которого имеет только две степени свободы, а именно: вращение с большой скоростью вокруг собственной оси и возможность поворота вокруг оси внутреннего карданова кольца. Позже подобные приборы стали называться гироскопами с двумя степенями свободы, или двухстепенными гироскопами. Л. Фуко рассмотрел два характерных положения двухстепенного гироскопа относительно поверхности вращающейся Земли.
  • гироскоп вращение прецессия пространство
  • В первом положении ось внутреннего кольца карданова подвеса вертикальна, и гироскоп участвует в переносном вращении Земли со скоростью U, вектор которой может быть разложен на две составляющие Ыsinц и Ыcosц (рис 2). В этом случае в соответствии с правилом Н.Е. Жуковского возникают два гироскопических момента. Один из них будет стремиться совместить вектор Н с вектором Ыsinц. Но этого совмещения не произойдет, так как на пути совмещения стоят опоры внутреннего кольца карданова подвеса. Этот момент будет создавать лишь давление на опоры.
  • Другой гироскопический момент будет стремиться совместить вектор Н с вектором Ыcosц. Это совмещение, возможно, так как опоры допускают поворот маховика вокруг вертикальной оси. Совершая затухающие колебания в горизонтальной плоскости, ось вращения маховика через некоторое время совместится с направлением вектора Ыcosц. Но ведь вектор Ыcosц лежит в плоскости меридиана и направлен на Северный полюс Земли! Значит, материальное тело – ось вращения маховика – также будет направлено на Северный полюс Земли. Получился компас, который в отличие от магнитного компаса указывает направление не на магнитный, а на географический полюс Земли.
  • Этот прибор позднее был назван гироскопом Фуко первого рода, или гирокомпасом.
  • Второе положение гироскопа: ось внутреннего кольца кадрданова подноса горизонтальна, а ось маховика расположена в плоскости меридиана (рис 3). В этом случае также возникнет гироскопический момент, который совместит вектор Н с вектором U. В совмещенном положении угол между осью вращения маховика и горизонтальной плоскостью оказывается равным широте ц. Этот прибор позднее был назван гироскопом Фуко второго рода, или гироширотом.
  • Таким образом, особым свойством двухстепенного гироскопа является его способность мгновенно реагировать на угловую скорость вращения основания, на котором он установлен, пытаясь совместить по кратчайшему пути ось вращения маховика (вектор кинетического момента) с соответствующей составляющей вектора угловой скорости вращения основания.
  • Лишив трехстепенной гироскоп одной степени свободы, Л. Фуко открыл замечательное свойство двухстепенного гироскопа.
  • Ну а если пойти дальше и лишить маховик гироскопа второй степени свободы, не получим ли мы притом каких-либо полезных эффектов? Получим.
  • Уже давно известно, что вращающийся маховик способен запасать кинетическую энергию, которую затем он может расходовать на приведение в действие различных механизмов и на повышение плавности их работы.
  • В частности, всем знакомы детские игрушки – инерционные автомобильчики. Чиркнув пару раз колесами такого автомобиля по полу, раскручивают маховичок, установленный внутри него. А затем уж маховичок, отдавая свою энергию колесам автомобиля, заставляет его двигаться.
  • Эта идея используется не только в игрушках. Сегодня разрабатываются транспортные средства с экологически чистыми маховичными двигателями. Уже по улицам городов движутся опытные образцы троллейбусов и автобусов, приводимые в движение энергией маховиков.
  • Возникают ли гироскопические моменты в маховичных приводах? Конечно, возникают, но так как, кроме собственного вращения, других степеней свободы маховик не имеет, то и его видимого движения не наблюдается.
  • Гироскопические моменты в этом случае оказывают лишь давление на опоры маховика, что является отрицательным явлением.
  • Таким образом, хотя маховичные приводы – очень полезные устройства, к гироскопическим приборам они прямого отношения не имеют.
  • Итак, в своих работах Л. Фуко указал на принципиальную возможность создания гироскопических приборов трех различных назначений: свободного гироскопа, способного хранить неизменной ориентацию оси маховика в абсолютном пространстве, гироскопического компаса, гироскопического измерителя широты.