Гироскоп: определения, терминология

Приведенная классификация гироскопических приборов показывает, что основным элементом этих приборов является гироскопический чувствительный элемент. Впервые термин "гироскоп" был введен в 1852 г. выдающимся французским физиком Л. Фуко (1819-1868). По своему смысловому содержанию он состоит из двух греческих слов: "гирос" - вращение и "скопейн" - видеть, наблюдать, т.е. "гироскоп" - это указатель вращения [2]. С помощью предложенного им демонстрационного макета трехстепенного гироскопа в кардановом подвесе Л. Фуко пытался подтвердить факт вращения Земли.

В то же время, употребляя в обыденной речи слово "гироскоп"', в большинстве случаев имеют в виду тело, вращающееся с большой скоростью вокруг своей оси симметрии [3]. Такое представление, по-видимому, соответствует и техническим гироскопам, однако в механике утвердилось иное определение гироскопа. Здесь в общем случае под гироскопом понимают твердое тело любой формы, которое совершает вращательное движение [3].

В работе [5] слово "гироскоп" переводится на русский язык и как "наблюдатель вращения". Он выполнен в виде прибора с быстровращающимся маховиком и предназначен для наблюдения вращения Земли относительно "неподвижных" звезд.

Таким образом, гироскопом в широком смысле этого слова можно считать прибор, устройство или измерительную систему, позволяющие наблюдать и измерять вращение в инерциальном пространстве того основания, на котором они установлены.

Функционально гироскоп состоит из ротора (чувствительного элемента), системы подвеса и системы съема измеряемой информации.

Конструктивно ротор может быть выполнен в виде вращающегося твердого, жидкого или газообразного тела. Кроме того, в настоящее время находят применение и невращающиеся, так называемые, лазерные (оптические) гироскопы, созданные на базе оптических квантовых генераторов.

Учитывая, что в существующих гироскопических приборах, устанавливаемых на судах, используются чувствительные элементы, содержащие вращающийся ротор, прикладное определение понятия "гироскоп" может быть сформулировано в следующем виде: гироскоп - динамически симметричное быстровращающееся твердое тело, подвешенное таким образом, что его главная ось сохраняет заданное ей направление в инерциальном пространстве неизменным.

В соответствии с приведенным определением физическая модель гироскопа может иметь вид, показанный на рис. 1.1. Здесь приняты следующие обозначения:

О - точка подвеса ротора гироскопа, т.е. та единственная точка, которая не участвует во всех вращательных движениях ротора; х - главная ось гироскопа, т.е. та ось, относительно которой ротор совершает наибольшее вращение;

y, z - экваториальные оси, т.е. те оси, которые лежат в плоскости вращения ротора и перпендикулярны между собой и к главной оси;

Ω - угловая скорость собственного вращения ротора.

Угловая скорость Ω является одной из важных динамических характеристик гироскопа. Она равна значению угла (ψ), на который поворачивается каждая точка тела ротора за единицу времени t. С учетом сказанного, ее значение может быть выражено в виде Ω = dψ/dt . Данный вектор всегда расположен вдоль оси вращения и направлен в ту сторону, откуда вращение видно против движения часовой стрелки.

Рис. 1.1.

Значение величины Ω определяется числом радиан в секунду или числом оборотов в минуту. Эта зависимость имеет следующую связь:

или ,

где Ω - угловая скорость, рад/с;

n - угловая скорость, об/мин.

В зависимости от конструктивного выполнения гироскопа существует несколько разновидностей его технического решения.

Астатический гироскоп, или уравновешенный - это такой гироскоп, у которого центр масс совпадает с точкой подвеса. Теоретически существует определение астатического гироскопа, но практически такой гироскоп создать нельзя, так как вследствие несовершенства технологии изготовления ротора, системы подвеса и при изменениях температуры окружающей среды центр масс ротора не будет совпадать с его точкой подвеса.

Тяжелый гироскоп - это такой гироскоп, у которого центр масс ротора не совпадает с его точкой подвеса.

Свободный гироскоп - гироскоп, на который не действуют моменты внешних сил, т.е. это астатический гироскоп, у которого моменты трения по осям подвеса х, у, z равны нулю. Такой гироскоп может существовать только теоретически.

Существуют также и такие понятия, как дифференцирующий гироскоп, интегрирующий гироскоп, у которых выходная информация пропорциональна производной или интегралу от измеряемой величины.

Из приведенных определений нетрудно заметить, что степень совершенства гироскопов и, как следствие, точность показаний гироскопических устройств в сильной степени зависят от качества ротора и системы его подвеса.

Показанный на рис.1.1 кардановый подвес ротора гироскопа ввиду несовершенства технологии изготовления подшипников по осям подвеса приводит к заметному влиянию моментов трения на измерительное устройство. Действительно, при произвольном движении основания, на котором установлен гироскоп, через трение по осям подвеса на ротор гироскопа будет прикладываться возмущающий момент. Под действием этого момента главная ось ротора гироскопа произвольным образом изменяет свое положение относительно первоначально заданного ей направления в пространстве. Поэтому задача уменьшения влияния трения в подвесе ротора гироскопа имеет принципиальное значение при создании прецизионных (высокоточных) гироскопических устройств. Так, в гирокомпасе типа "Курс" применяется гидростатический подвес чувствительного элемента, а в курсоуказателе типа "Вега" - жидкостно-торсионный подвес. Существуют также подвесы: аэродинамический, электростатический, гидродинамический, электромагнитный, криогенный и т.д. В последнее время получают широкое применение и так называемые упругие вращающиеся подвесы.

Свойства гироскопа

Определяющим признаком, характеризующим основные свойства гироскопа, следует считать число степеней свободы его ротора.