陀螺儀原理工作原理

〖論述解釋〗陀螺儀，是一個(gè)圓形的中軸的結(jié)合體。

而事實(shí)上，靜止與運(yùn)動(dòng)的陀螺儀本身并無(wú)區(qū)別，如果靜止的陀螺儀本身絕對(duì)平衡的話，拋出外在因數(shù)陀螺儀是可以不依靠旋轉(zhuǎn)便能立定的。

而如果陀螺儀本身尺寸不平衡的話，在靜止下就會(huì)造成陀螺儀模型傾斜跌倒，因此不均衡的陀螺儀必然依靠旋轉(zhuǎn)來(lái)維持平衡。

陀螺儀本身與引力有關(guān)，因?yàn)橐Φ挠绊?，不均衡的陀螺儀，重的一端將向下運(yùn)行，而輕的一端向上。

在引力場(chǎng)中，重物下降的速度是需要時(shí)間的，物體墜落的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)慢于陀螺儀本身旋轉(zhuǎn)的速度時(shí)，將導(dǎo)致陀螺儀偏重點(diǎn)，在旋轉(zhuǎn)中不斷的改變陀螺儀自身的平衡，并形成一個(gè)向上旋轉(zhuǎn)的速度方向。

當(dāng)然，如果陀螺儀偏重點(diǎn)太大，陀螺儀自身的左右互作用力也將失效!。

而在旋轉(zhuǎn)中，陀螺儀如果遇到外力導(dǎo)致，陀螺儀轉(zhuǎn)輪某點(diǎn)受力。陀螺儀會(huì)立刻傾斜，而陀螺儀受力點(diǎn)的勢(shì)能如果低于陀螺儀旋轉(zhuǎn)時(shí)速，這時(shí)受力點(diǎn)，會(huì)因?yàn)橥勇輧x傾斜，在旋轉(zhuǎn)的推動(dòng)下，陀螺儀受力點(diǎn)將從斜下角，滑向斜上角。而在向斜上角運(yùn)行時(shí)，陀螺儀受力點(diǎn)的勢(shì)能還在向下運(yùn)行。這就導(dǎo)致陀螺儀到達(dá)斜上角時(shí)，受力點(diǎn)的剩余勢(shì)能將會(huì)將在位于斜上角時(shí)，勢(shì)能向下推動(dòng)。

而與受力點(diǎn)相反的直徑另一端，同樣具備了相應(yīng)的勢(shì)能，這個(gè)勢(shì)能與受力點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方向相反，受力點(diǎn)向下，而它向上，且管這個(gè)點(diǎn)叫"聯(lián)動(dòng)受力點(diǎn)"。

當(dāng)聯(lián)動(dòng)受力點(diǎn)旋轉(zhuǎn)180度，從斜上角到達(dá)斜下角，這時(shí)聯(lián)動(dòng)受力點(diǎn)，將陀螺儀向上拉動(dòng)。

在受力點(diǎn)與聯(lián)動(dòng)受力互作用力下，陀螺儀回歸平衡。

〖專業(yè)解釋〗我們不用一個(gè)完整的輪框，我們用四個(gè)質(zhì)點(diǎn)ABCD來(lái)表示邊上的區(qū)域，這個(gè)邊對(duì)于用圖來(lái)解釋陀螺儀的工作原理是很重要的。軸的底部被托住靜止但是能夠各個(gè)方向旋轉(zhuǎn)。當(dāng)一個(gè)傾斜力作用在頂部的軸上的時(shí)候，質(zhì)點(diǎn)A向上運(yùn)動(dòng)，質(zhì)點(diǎn)C則向下運(yùn)動(dòng)，如其中的子圖1。因?yàn)橥勇輧x是順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，在旋轉(zhuǎn)90度角之后，質(zhì)點(diǎn)A將會(huì)到達(dá)質(zhì)點(diǎn)B的位置。CD兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)的情況也是一樣的。子圖2中質(zhì)點(diǎn)A當(dāng)處于如圖的90度位置的時(shí)候會(huì)繼續(xù)向上運(yùn)動(dòng)，質(zhì)點(diǎn)C也繼續(xù)向下。AC質(zhì)點(diǎn)的組合將導(dǎo)致軸在子圖2所示的運(yùn)動(dòng)平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)。一個(gè)陀螺儀的軸在一個(gè)合適的角度上旋轉(zhuǎn)，在這種情況下，如果陀螺儀逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，軸將會(huì)在運(yùn)動(dòng)平面上向左運(yùn)動(dòng)。如果在順時(shí)針的情況中，傾斜力是一個(gè)推力而不是拉力的話，運(yùn)動(dòng)將會(huì)向左發(fā)生。在子圖3中，當(dāng)陀螺儀旋轉(zhuǎn)了另一個(gè)90度的時(shí)候，質(zhì)點(diǎn)C在質(zhì)點(diǎn)A受力之前的位置。C質(zhì)點(diǎn)的向下運(yùn)動(dòng)受到了傾斜力的阻礙并且軸不能在傾斜力平面上運(yùn)動(dòng)。傾斜力推軸的力量越大，當(dāng)邊緣旋轉(zhuǎn)大約180度時(shí)，另一側(cè)的邊緣推動(dòng)軸向回運(yùn)動(dòng)。

萬(wàn)向節(jié)陀螺儀

實(shí)際上，軸在這個(gè)情況下將會(huì)在傾斜力的平面上旋轉(zhuǎn)。軸之所以會(huì)旋轉(zhuǎn)是因?yàn)橘|(zhì)點(diǎn)AC在向上和向下運(yùn)動(dòng)的一些能量用盡導(dǎo)致軸在運(yùn)動(dòng)平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)質(zhì)點(diǎn)AC最后旋轉(zhuǎn)到大致上相反的位置上時(shí)，傾斜力比向上和向下的阻礙運(yùn)動(dòng)的力要大。 陀螺儀運(yùn)動(dòng)的特性是它拐彎的時(shí)候能夠保持單軌設(shè)備的直上直下。比如說(shuō)，有必要的話，消防汽缸壓在一個(gè)很重的陀螺儀的軸上，就能保持其穩(wěn)定。陀螺儀和萬(wàn)向節(jié)結(jié)合起來(lái)組成的萬(wàn)向節(jié)陀螺儀則是實(shí)際中最經(jīng)常應(yīng)用的。

各模上的陀螺儀

從上面我們可以看到，陀螺儀的關(guān)鍵是軸的不變性。這樣的特性，看起來(lái)雖然簡(jiǎn)單，但能使用在許多不同的應(yīng)用上。制導(dǎo)武器就是陀螺儀的最關(guān)鍵應(yīng)用之一。在慣性制導(dǎo)中，陀螺儀是控制武器飛行姿態(tài)的重要部件，在劇烈變化的環(huán)境中，沒(méi)有精心設(shè)計(jì)的陀螺儀用來(lái)保證穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，再好的控制規(guī)律也無(wú)法命中目標(biāo)。除了制導(dǎo)之外，陀螺儀還能夠應(yīng)用在其他的尖端的科技上。比如說(shuō)，著名的哈勃天文望遠(yuǎn)鏡的3個(gè)遙感裝置中每個(gè)都裝有一個(gè)陀螺儀和一個(gè)備份。3個(gè)工作的陀螺儀是保證望遠(yuǎn)鏡指向所必不可少的。

陀螺儀正是因?yàn)樗钠胶獾奶匦裕呀?jīng)成為了飛行設(shè)備中關(guān)鍵的部件，從航模、制導(dǎo)武器、導(dǎo)彈、衛(wèi)星、天文望遠(yuǎn)鏡，無(wú)處沒(méi)有它的身影，陀螺儀默默的工作保證了這些飛行設(shè)備能按照指定的方式去工作。

高速旋轉(zhuǎn)的物體的旋轉(zhuǎn)軸，對(duì)于改變其方向的外力作用有趨向于垂直方向的傾向。而且，旋轉(zhuǎn)物體在橫向傾斜時(shí)，重力會(huì)向增加傾斜的方向作用，而軸則向垂直方向運(yùn)動(dòng)，就產(chǎn)生了搖頭的運(yùn)動(dòng)(歲差運(yùn)動(dòng))。當(dāng)陀螺經(jīng)緯儀的陀螺旋轉(zhuǎn)軸以水平軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于地球的旋轉(zhuǎn)而受到鉛直方向旋轉(zhuǎn)力，陀螺的旋轉(zhuǎn)體向水平面內(nèi)的子午線方向產(chǎn)生歲差運(yùn)動(dòng)。當(dāng)軸平行于子午線而靜止時(shí)可加以應(yīng)用。

陀螺儀基本上就是運(yùn)用物體高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，角動(dòng)量很大，旋轉(zhuǎn)軸會(huì)一直穩(wěn)定指向一個(gè)方向的性質(zhì)，所制造出來(lái)的定向儀器。不過(guò)它必需轉(zhuǎn)得夠快，或者慣量夠大(也可以說(shuō)是角動(dòng)量要夠大)。不然，只要一個(gè)很小的力矩，就會(huì)嚴(yán)重影響到它的穩(wěn)定性。

隧道中心線測(cè)量

在隧道等挖掘工程中，坑內(nèi)的中心線測(cè)量一般 采用難以保證精度的長(zhǎng)距離導(dǎo)線。特別是進(jìn)行盾構(gòu)挖掘(shield tunnel)的情況，從立坑的短基準(zhǔn)中心線出發(fā)必須有很高的測(cè)角精度和移站精度，測(cè)量中還要經(jīng)常進(jìn)行地面和地下的對(duì)應(yīng)檢查，以確保測(cè)量的精度。特別是在密集的城市地區(qū)，不可能進(jìn)行過(guò)多的檢測(cè)作業(yè)而遇到困難。如果使用陀螺經(jīng)緯儀可以得到絕對(duì)高精度的方位基準(zhǔn)，而且可減少耗費(fèi)很高的檢測(cè)作業(yè)(檢查點(diǎn)最少)，是一種效率很高的中心線測(cè)量方法。

通視障礙時(shí)的方向角獲取

當(dāng)有通視障礙，不能從已知點(diǎn)取得方向角時(shí)，可以采用天文測(cè)量或陀螺經(jīng)緯儀測(cè)量的方法獲取方向角(根據(jù)建設(shè)省測(cè)量規(guī)范)。與天文測(cè)量比較，陀螺經(jīng)緯儀測(cè)量的方法有很多優(yōu)越性:對(duì)天氣的依賴少、云的多少無(wú)關(guān)、無(wú)須復(fù)雜的天文計(jì)算、在現(xiàn)場(chǎng)可以得到任意測(cè)線的方向角而容易計(jì)算閉合差。

日影計(jì)算所需的真北測(cè)定

在城市或近郊地區(qū)對(duì)高層建筑有日照或日影條件的高度限制。在建筑申請(qǐng)時(shí)，要附加日影圖。此日影圖是指，在冬至的真太陽(yáng)時(shí)的8點(diǎn)到16點(diǎn)為基準(zhǔn)，進(jìn)行為了計(jì)算、圖面繪制所需要的高精度真北方向測(cè)定。使用陀螺經(jīng)緯儀測(cè)量可以獲得不受天氣、時(shí)間影響的真北測(cè)量。