От волчка к гироскопической технике

Что же такое гироскоп?

Под гироскопом обычно принимают быстровращающееся твердое симметричное тело,установленное в специальном подвесе,позволяющем ему изменить свое положение относительно основания.

От волчка к гироскопической технике - №1 - открытая онлайн библиотека

До изобретения гироскопа человечество использовало различные методы определения направления в пространстве. Издавна люди ориентировались визуально по удалённым предметам, в частности, по солнцу. Еще в древности появились такие приборы как отвес и уровень, основанные на гравитации. В средние века в Китае был изобретён компас. В Европе были созданы астролябия и другие приборы, основанные на положении звёзд.

Русский монорельс.

В начале прошлого века губернатор Костромской губернии Пётр Шиловский первым в мире разработал проект монорельсовой дороги и стал одним из пионеров широкого внедрения в военной и транспортной технике гиростабилизирующих устройств.

 
  От волчка к гироскопической технике - №2 - открытая онлайн библиотека

От волчка к гироскопической технике - №3 - открытая онлайн библиотека Устройство для сохранения равновесия.

Весной 1911 г. в Петербурге отмечался 75-летний юбилей первой отечественной желез­ной дороги - Царскосельской. По случаю этого знаменательного события Русское техническое общество устроило в столице, в Соляном городке, выставку, «гвоздём» которой была модель гиро­скопической железной дороги. По одному един­ственному кольцевому рельсу, проложенному в зале, бойко бегал маленький состав из трёх вагончиков. Пояснения давал сам изобретатель.

О творце модели Петре Петровиче Шиловском «Петербургская газета» писала: «Как ни странно, но изобретатель не получил никакого специально­го технического образования. Он - юрист и зани­мает очень видный административный пост в одной из губерний России». Действительно, Шиловский возглавлял в то время Костромскую губернию.

Один московский репортёр так характеризовал ПЛ.Шиловского: «Богато одарённый, с огромным честолюбием, он с детства мечтал выдвинуться. В той среде, где он воспитывался, выдвинуться означало сделать чиновничью карьеру. Природные способности толкали его пытливый ум в сторону знаний, а привитые средою взгляды влекли к карь­ере, и из этих двух начал сложилась вся его жизнь».

Шиловский был автором ряда работ по правове­дению и многих публицистических статей по пра­вовым вопросам. Но удивительное дело, техника, механика интересовали его не меньше, а, быть может, даже больше, чем юридические науки. И выбрал-то он для себя один из самых сложных, самых трудных разделов механики, над которым ломали головы крупнейшие учёные.

От волчка к гироскопической технике - №4 - открытая онлайн библиотека

«Устройство для сохранения равновесия пово­зок или других находящихся в неустойчивом положении тел». Так называлось изобретение, на которое Шиловский получил привилегию, рус­ский патент, заявленный весной 1909 г.

Устройство имело двухрамный гироскоп с маят­ником. При нарушении равновесия повозки маят­ник подключал электромотор, воздействовавший на внутреннюю раму гироскопа. Появлялась сила, восстанавливавшая равновесие.В июне 1909 г. небольшая гироскопическая модель уже уверенно передвигалась по проволоке, натянутой между деревьями на даче изобретателя.

Выводы.

Развитие не стоит на месте и с каждым годом появляется все больше и больше различных изобретений на основе гироскопа. За последние десять лет развития, гироскопы проникли в наши жизни, и многие люди уже даже не смогут представить свое существование без . К примеру у каждого современного человека есть телефон,но далеко не каждый знает что камера его телефона работает при помощи гироскопа,все современные фильмы сняты на гироскопические камеры и ни одна захватывающая сцена не была бы настолько уникальной без подобных устройств. У каждого спортивного человека дома лежит гироскопический тренажер для руки, а полиция во всем мире закупается новыми скутерами «сегвей» для облегчения совей работы.

И все эти достижения современной техники не появились бы без стараний древних ученых.На мой взгляд изучение истории гиросокпической техники настолько же важно как и знание элементарных понятий гироскопии.

Список литературы:

1)сборник статей «история механики гироскопических систем» 1975 г.

2)«Гиро-приборы баллистических ракет» В.В. Ягодкин Г.А. Хлебников

3)«Гироскоп это просто» В. Матвеев

4)«Теория и практика гироскопического компаса» Б.И. Кудревич

5)Статья «гироскопическое оборудование-прошлое и настоящее» В.Кофтун, В.Хегер, И.Тревого, Л.Чаплинская

6)Собственный доклад по теме «сегвей» в программе «шаг в будущее»

Что же такое гироскоп?

Под гироскопом обычно принимают быстровращающееся твердое симметричное тело,установленное в специальном подвесе,позволяющем ему изменить свое положение относительно основания.

От волчка к гироскопической технике - №1 - открытая онлайн библиотека

До изобретения гироскопа человечество использовало различные методы определения направления в пространстве. Издавна люди ориентировались визуально по удалённым предметам, в частности, по солнцу. Еще в древности появились такие приборы как отвес и уровень, основанные на гравитации. В средние века в Китае был изобретён компас. В Европе были созданы астролябия и другие приборы, основанные на положении звёзд.

От волчка к гироскопической технике.

Удивительный волчок, две тысячи лет служивший замечательной игрушкой, очаровал в свое время и классиков механики. Астроном сэр Джон Гершель называл его инструментом философов. Заманчивая мысль извлечь практическую из замечательных свойств волчка не покидала умы ученых. Однако если окинуть мысленным взором пройденный путь волчка, то можно почувствовать захватывающую напряженность поиска, связанную с блестящими озарениями и заблуждениями, присущую лишь действительно великим открытиям.

Примером может служить проблема создания гироскопического компаса-компаса не зависящего от магнитного поля Земли.Важность проблемы несомненна,но идея граничит с безумием,едва заметную скорость вращения Земли на фоне огромных,по сравнению с этим, скоростей вращения самого прибора ,когда он установлен на корабле,плывущем в штормовом море.Разве не удивителен сам факт того,что люди работают над таким проектом,вкладывают в него свой труд и средства?Правда преимущественно эти люди далеких от техники профессий,взявшиеся за дело с энергией и мужеством дилетантов: психолог Н. Ах.,священник Ван ден Бос,историк исскуства Г. Аанщютс-Кемпфе.И как раз последнему и удалось достичь своей цели.

Можно сказать, что проблема построения гирокомпаса явилась пробным камнем для точной механики,а ее успешное разрешение -триумфом союза техники и науки.

Опираясь на опыт,полученный в работах по гирокомпасам,гироскопия достигла выдающихся успехов,но 40 лет спустя возникает новый сумасшедший проект.Речь идет об инерциальой навигации, и эта проблема в последствии была решена прежде всего в результате широких исследований,принявших мировые масштабы.

Взглянем непосредственно на историю рождения гироскопа

Получив медицинское образование, Жан Бернар Леон Фуко (1819 - 1868) увлекся экспериментальной физикой и достиг в этой области немалых успехов. Назовем лишь самые крупные - токи Фуко, маятник Фуко, гироскопы.

Слово "гироскоп", придуманное Л. Фуко, состоит из двух греческих слов: "гирос" - вращение и "скопео" - наблюдать, смотреть.

Итак, 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.

От волчка к гироскопической технике - №6 - открытая онлайн библиотека

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.

От волчка к гироскопической технике - №7 - открытая онлайн библиотека

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.

От волчка к гироскопической технике - №8 - открытая онлайн библиотека От волчка к гироскопической технике - №9 - открытая онлайн библиотека

Рис.6. Гирокомпас Л. Фуко Рис.7. Гироширот Л. Фуко

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 Ūsinφ и Ūcosφ (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 Ūsinφ. 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 Ūcosφ. 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 Ūcosφ. Но ведь вектор Ūcosφ 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 φ. 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.