Ein Gyroskop ist ein Gerät, um Orientierung zu messen oder aufrechtzuerhalten, die auf den Grundsätzen des winkeligen Schwungs gestützt ist. Hauptsächlich ist ein mechanisches Gyroskop ein Spinnrad oder Platte, deren Achse frei ist, jede Orientierung zu nehmen. Obwohl diese Orientierung fest nicht bleibt, ändert sie sich als Antwort auf ein Außendrehmoment viel weniger und in einer verschiedenen Richtung, als sie ohne den großen winkeligen Schwung würde, der mit der hohen Rate der Platte der Drehung und Moment der Trägheit vereinigt ist. Da Außendrehmoment durch das Besteigen des Geräts in Tragrahmen minimiert wird, bleibt seine Orientierung fast befestigt unabhängig von jeder Bewegung der Plattform, auf der es bestiegen wird.

Gyroskope, die auf anderen Betriebsgrundsätzen auch gestützt sind, bestehen wie die elektronischen, Mikrochip-paketierten MEMS Gyroskop-Geräte, die im Verbraucher elektronische Geräte, Halbleiterringlaser, Faser Sehgyroskope und das äußerst empfindliche Quant-Gyroskop gefunden sind.

Anwendungen von Gyroskopen schließen Trägheitsnavigationssysteme ein, wo magnetische Kompasse (als im Fernrohr von Hubble) nicht arbeiten würden oder (als in Interkontinentalraketen), oder für die Stabilisierung von fliegenden Fahrzeugen wie ferngesteuerte Hubschrauber nicht genau genug sein würden oder Luftfahrzeuge entmannt haben. Wegen ihrer Präzision werden Gyroskope auch verwendet, um Richtung im Tunnel-Bergwerk aufrechtzuerhalten.

Beschreibung und Diagramm

Innerhalb von mechanischen Systemen oder Geräten ist ein herkömmliches Gyroskop ein Mechanismus, der einen journaled umfasst, um über eine Achse, die Zeitschriften des Rotors zu spinnen, der in einem inneren Tragrahmen oder Ring wird besteigt; das innere Tragrahmen ist journaled für die Schwingung in einem Außentragrahmen für insgesamt zwei Tragrahmen.

Das Außentragrahmen oder der Ring, der der Gyroskop-Rahmen ist, werden bestiegen, um sich über eine Achse in seinem eigenen durch die Unterstützung bestimmten Flugzeug zu drehen. Dieses Außentragrahmen besitzt einen Grad der Rotationsfreiheit, und seine Achse besitzt niemanden. Das folgende innere Tragrahmen wird im Gyroskop-Rahmen bestiegen (Außentragrahmen), um sich über eine Achse in seinem eigenen Flugzeug zu drehen, das immer auf der Angelachse des Gyroskop-Rahmens (Außentragrahmen) rechtwinklig ist. Dieses innere Tragrahmen hat zwei Grade der Rotationsfreiheit.

Die Achse des Spinnrades definiert die Drehungsachse. Der Rotor ist journaled, um über eine Achse zu spinnen, die immer auf der Achse des inneren Tragrahmens rechtwinklig ist. So besitzt der Rotor drei Grade der Rotationsfreiheit und seine Achse zwei besitzt.

Das Rad antwortet auf eine Kraft, die über die Eingangsachse durch eine Reaktionskraft über die Produktionsachse angewandt ist.

Das Verhalten eines Gyroskops kann durch die Rücksicht des Vorderrades eines Rades am leichtesten geschätzt werden. Wenn das Rad weg vom vertikalen geneigt wird, so dass die Spitze der Radbewegungen nach links, sich der Vorwärtsrand des Rades auch nach links dreht. Mit anderen Worten erzeugt die Folge auf einer Achse des sich drehenden Rades Folge der dritten Achse.

Ein Gyroskop-Schwungrad wird rollen oder sich über die Produktionsachse abhängig davon widersetzen, ob die Produktionstragrahmen von einem freien - oder befestigt - Konfiguration sind. Beispiele von einigen Geräten des freien Produktionstragrahmens würden die Einstellungsbezugsgyroskope sein, die verwendet sind, um den Wurf, die Rolle und die Gieren-Einstellungswinkel in einem Raumfahrzeug oder Flugzeug zu fühlen oder zu messen.

Der Schwerpunkt des Rotors kann in einer festen Position sein. Der Rotor spinnt gleichzeitig über eine Achse und ist zum Oszillieren über die zwei anderen Äxte, und so abgesehen von seinem innewohnenden Widerstand wegen der Rotor-Drehung fähig, es ist frei, sich in jeder Richtung über den festen Punkt zu drehen. Einige Gyroskope ließen gegen mechanische Entsprechungen ein oder mehr von den Elementen auswechseln. Zum Beispiel kann der spinnende Rotor in einer Flüssigkeit aufgehoben werden, anstatt in Tragrahmen zentral bestiegen zu werden. Ein Kontrollmoment-Gyroskop (CMG) ist ein Beispiel eines Geräts des festen Produktionstragrahmens, das auf dem Raumfahrzeug verwendet wird, um einen gewünschten Einstellungswinkel oder hinweisende Richtung zu halten oder aufrechtzuerhalten, die die gyroscopic Widerstand-Gewalt anwendet.

In einigen speziellen Fällen kann das Außentragrahmen (oder seine Entsprechung) weggelassen werden, so dass der Rotor nur zwei Grade der Freiheit hat. In anderen Fällen kann der Schwerpunkt des Rotors von der Achse der Schwingung, und so ausgeglichen werden, der Schwerpunkt des Rotors und das Zentrum der Suspendierung des Rotors können nicht zusammenfallen.

Geschichte

Das frühste bekannte einem Gyroskop ähnliche Instrument wurde vom Deutschen Johann Bohnenberger gemacht, der zuerst darüber 1817 geschrieben hat. Zuerst hat er es die "Maschine" genannt. Die Maschine von Bohnenberger hat auf einem rotierenden massiven Bereich basiert. 1832 hat Amerikaner Walter R. Johnson ein ähnliches Gerät entwickelt, das auf einer rotierenden Platte basiert hat. Der französische Mathematiker Pierre-Simon Laplace, an der École Polytechnik in Paris arbeitend, hat die Maschine für den Gebrauch als eine lehrende Hilfe empfohlen, und so ist es zur Aufmerksamkeit von Léon Foucault gekommen. 1852 hat Foucault es in einem Experiment verwendet, das mit der Folge der Erde verbunden ist. Es war Foucault, der dem Gerät seinen modernen Namen in einem Experiment gegeben hat um (griechischer skopeein zu sehen, zu sehen), die Folge der Erde (griechischer gyros, Kreis oder Folge), der in den 8 bis 10 Minuten sichtbar war, bevor Reibung den spinnenden Rotor verlangsamt hat.

In den 1860er Jahren hat das Advent von elektrischen Motoren es möglich für ein Gyroskop gemacht, unbestimmt zu spinnen; das hat zu den ersten Prototyp-Kreiselkompassen geführt. Der erste funktionelle Seekreiselkompass wurde 1904 vom deutschen Erfinder Hermann Anschütz-Kaempfe patentiert. Der Amerikaner Elmer Sperry ist mit seinem eigenen Design später in diesem Jahr gefolgt, und andere Nationen haben bald die militärische Wichtigkeit von der Erfindung - in einem Alter begriffen, in dem Marineheldentat das bedeutendste Maß der militärischen Macht war - und ihre eigenen Gyroskop-Industrien geschaffen hat. Sperry Gyroscope Company hat sich schnell ausgebreitet, um Flugzeug und Marineausgleicher ebenso zur Verfügung zu stellen, und andere Gyroskop-Entwickler sind Klage gefolgt.

1917, Chandler Company Indianapolis, hat das "Krämer-Gyroskop", ein Spielzeuggyroskop mit einer Ziehen-Schnur und Sockel geschaffen. Krämer hat fortgesetzt, das Spielzeug zu erzeugen, bis die Gesellschaft von TEDCO Inc. 1982 gekauft wurde. Das Krämer-Spielzeug wird noch durch TEDCO heute erzeugt.

In den ersten mehreren Jahrzehnten des 20. Jahrhunderts haben andere Erfinder (erfolglos) versucht, Gyroskope als die Basis für den frühen schwarzen Kasten Navigationssysteme zu verwenden, indem sie eine stabile Plattform geschaffen haben, von der genaue Beschleunigungsmaße durchgeführt werden konnten (um das Bedürfnis nach dem Sternzielen zu umgehen, um Position zu berechnen). Ähnliche Grundsätze wurden später in der Entwicklung von Trägheitsleitungssystemen für ballistische Raketen verwendet.

Während des Zweiten Weltkriegs ist das Gyroskop der Hauptbestandteil für das Flugzeug und die Fliegerabwehrpistole-Sehenswürdigkeiten geworden. Nach dem Krieg ist die Rasse, um Gyroskope für ferngelenkte Geschosse und Waffennavigationssysteme zu miniaturisieren, auf die Entwicklung und Herstellung von so genannten Miniaturgyroskopen hinausgelaufen, die weniger gewogen haben als und ein Diameter ungefähr hatten. Einige von diesen miniaturisieren Gyroskope konnte bis zu 24,000 Revolutionen pro Minute in weniger als 10 Sekunden gesponnen werden.

MEMS-basierte 3-Achsen-Gyroskope werden auch in tragbaren elektronischen Geräten wie die aktuelle Generation des Apfels des iPad, iPhone und iPod touch verwendet. Das trägt zur auf vorherigen Generationen von Geräten verfügbaren 3-Achsen-Beschleunigungsabfragungsfähigkeit bei. Zusammen stellen diese Sensoren 6 Teilbewegungsabfragung zur Verfügung; Beschleunigung für X, Y, und Z Bewegung und Gyroskope, für das Ausmaß und die Rate der Folge im Raum (Rolle, Wurf und Gieren) zu messen.

Eigenschaften

Ein Gyroskop stellt mehrere Handlungsweisen einschließlich der Vorzession und nutation aus. Gyroskope können verwendet werden, um Kreiselkompasse zu bauen, welcher Ergänzung oder magnetische Kompasse (in Schiffen, Flugzeug und Raumfahrzeug, Fahrzeuge im Allgemeinen) ersetzen, um bei der Stabilität (Hubble Raumfernrohr, Räder, Motorräder und Schiffe) zu helfen oder als ein Teil eines Trägheitsleitungssystems verwendet zu werden. Effekten von Gyroscopic werden in Spitzen, Bumerangen, Jo-Jos und Powerballs verwendet. Viele andere rotierende Geräte, wie Schwungräder, benehmen sich auf diese Art eines Gyroskops, obwohl die gyroscopic Wirkung nicht verwendet wird.

Die grundsätzliche Gleichung, die das Verhalten des Gyroskops beschreibt, ist:

:

wo die Pseudovektoren τ und L, beziehungsweise, das Drehmoment auf dem Gyroskop und seinem winkeligen Schwung, der Skalar sind ich bin sein Moment der Trägheit, ist der Vektor ω seine winkelige Geschwindigkeit, und der Vektor α ist seine winkelige Beschleunigung.

Es folgt daraus, dass ein Drehmoment τ angewandte Senkrechte zur Achse der Folge, und deshalb Senkrechte zu L, auf eine Folge über eine Achse-Senkrechte sowohl zu τ als auch zu L hinausläuft. Diese Bewegung wird Vorzession genannt. Die winkelige Geschwindigkeit der Vorzession Ω wird durch das Kreuzprodukt gegeben:

:

Vorzession kann durch das Stellen eines spinnenden Gyroskops mit seiner Achse horizontal und unterstützt lose (frictionless zur Vorzession) an einem Ende demonstriert werden. Statt des Fallens, wie erwartet werden könnte, scheint das Gyroskop, sich über Ernst hinwegzusetzen, indem es mit seiner horizontalen Achse geblieben wird, wenn das andere Ende der Achse ununterstützt verlassen wird und das freie Ende der Achse langsam einen Kreis in einer Horizontalebene, dem resultierenden Vorzessionsdrehen beschreibt. Diese Wirkung wird durch die obengenannten Gleichungen erklärt. Das Drehmoment auf dem Gyroskop wird durch einige Kräfte geliefert: Ernst, der nach unten auf dem Zentrum des Geräts der Masse und einer gleichen Kraft handelt, die aufwärts handelt, um ein Ende des Geräts zu unterstützen. Die Folge, die sich aus diesem Drehmoment ergibt, ist nicht nach unten, wie intuitiv erwartet werden könnte, das Gerät veranlassend, zu fallen, aber Senkrechte sowohl zum Gravitationsdrehmoment (horizontal als auch zu rechtwinklig auf der Achse der Folge) und der Achse der Folge (horizontal und nach außen vom Punkt der Unterstützung), d. h. über eine vertikale Achse, das Gerät veranlassend, langsam über den Unterstützen-Punkt zu rotieren.

Unter einem unveränderlichen Drehmoment des Umfangs τ ist die Geschwindigkeit des Gyroskops der Vorzession Ω zu L, dem Umfang seines winkeligen Schwungs umgekehrt proportional:

:

wo θ der Winkel zwischen den Vektoren Ω und L ist. So, wenn sich die Drehung des Gyroskops (zum Beispiel, wegen der Reibung), seine winkeligen Schwung-Abnahmen und so die Rate von Vorzessionszunahmen verlangsamt. Das geht weiter, bis das Gerät unfähig ist, schnell genug zu rotieren, um sein eigenes Gewicht zu unterstützen, wenn es precessing aufhört und seine Unterstützung größtenteils zurückgeht, weil die Reibung gegen die Vorzession eine andere Vorzession verursacht, die geht, um den Fall zu verursachen.

Durch die Tagung werden diese drei Vektoren - Drehmoment, Drehung, und Vorzession - alle in Bezug auf einander gemäß der rechten Regel orientiert.

Um die Richtung der gyro Wirkung leicht festzustellen, erinnern Sie sich einfach, dass ein rollendes Rad neigt, wenn es sich beiseite neigt, um sich in der Richtung auf das magere zu drehen.

Schwankungen

Gyrostat

Ein gyrostat ist eine Variante des Gyroskops. Es besteht aus einem massiven in einer festen Umkleidung verborgenen Schwungrad. Sein Verhalten auf einem Tisch, oder mit verschiedenen Weisen der Suspendierung oder Unterstützung, dient, um die neugierige Umkehrung der gewöhnlichen Gesetze des statischen Gleichgewichts wegen des gyrostatic Verhaltens des unsichtbaren Innenschwungrades, wenn rotieren gelassen, schnell zu illustrieren. Der erste gyrostat wurde von Herrn Kelvin entworfen, um zu illustrieren, dass der mehr komplizierte Staat der Bewegung eines spinnenden Körpers, wenn frei, um auf einer Horizontalebene wie eine Spitze umherzuwandern, auf der Fahrbahn, oder einem Reifen oder dem Rad auf der Straße gesponnen hat.

MEMS

Ein MEMS Gyroskop nimmt die Idee vom Pendel von Foucault und verwendet ein vibrierendes Element, bekannt als ein MEMS (Elektromechanisches Mikrosystem). Der MEMS-basierte gyro wurde praktisch und erzeugbar von Systron Donner Inertial (SDI) am Anfang gemacht. Heute ist SDI ein großer Hersteller von MEMS Gyroskopen.

NEBEL

Eine Faser Sehgyroskop (FOG) ist ein Gyroskop, das die Einmischung des Lichtes verwendet, um mechanische Folge zu entdecken. Der Sensor ist eine Rolle nicht weniger als 5 km Glasfaserleiters. Die Entwicklung von Glasfaserleiter der einzelnen Weise des niedrigen Verlustes am Anfang der 1970er Jahre für die Fernmeldeindustrie hat die Entwicklung der Wirkungsfaser von Sagnac Sehgyros ermöglicht.

VSG oder CVG

Ein Vibrieren des Struktur-Gyroskops (VSG), auch genannt Coriolis Vibratory Gyroscope (CVG), verwendet einen aus der verschiedenen metallischen Legierung gemachten Resonator. Es nimmt eine Position zwischen der niedrigen Genauigkeit, dem preisgünstigen MEMS Gyroskop und der höheren Genauigkeit und dem höher gekosteten NEBEL. Genauigkeitsrahmen werden durch das Verwenden niedrig-innerer Dämpfungsmaterialien, Resonator vacuumization und Digitalelektronik vergrößert, um abhängigen Temperaturantrieb und Instabilität von Kontrollsignalen zu reduzieren.

Hohe-Q Weinglas-Resonatore für genaue Sensoren wie HRG oder CRG

DTG

Ein dynamisch abgestimmtes Gyroskop (DTG) ist ein Rotor, der durch ein universales Gelenk mit flexure Türangeln aufgehoben ist. Die flexure Frühlingssteifkeit ist der Drehungsrate unabhängig. Jedoch stellt die dynamische Trägheit (von der gyroscopic Reaktionswirkung) vom Tragrahmen negative zum Quadrat der Drehungsgeschwindigkeit proportionale Frühlingssteifkeit zur Verfügung (Howe und Savet, 1964; Lawrence, 1998). Deshalb, mit einer besonderen Geschwindigkeit, genannt die stimmende Geschwindigkeit, annullieren die zwei Momente einander, den Rotor vom Drehmoment, einer notwendigen Bedingung für ein ideales Gyroskop befreiend.

Londoner Moment

Ein Londoner Moment-Gyroskop verlässt sich auf das mit dem Quant mechanische Phänomen, wodurch ein spinnender Supraleiter ein magnetisches Feld erzeugt, dessen sich Achse genau mit der Drehungsachse des gyroscopic Rotors aufstellt. Ein Magnetometer bestimmt die Orientierung des erzeugten Feldes, das interpoliert wird, um die Achse der Folge zu bestimmen. Gyroskope dieses Typs können äußerst genau und stabil sein. Zum Beispiel haben diejenigen, die in der Ernst-Untersuchung B Experiment verwendet sind, Änderungen in der Gyroskop-Drehungsachse-Orientierung zu besser gemessen als 0.5 milliarcseconds (1.4 Grade) im Laufe einer Jahresperiode. Das ist zu einer winkeligen Trennung die Breite eines menschlichen Haars gleichwertig, das von weg angesehen ist.

Der GP-B gyro besteht aus einer fast vollkommenen kugelförmigen rotierenden Masse, die aus verschmolzenem Quarz gemacht ist, der eine dielektrische Unterstützung für eine dünne Schicht des Niobium-Superleiten-Materials zur Verfügung stellt. Um in herkömmlichen Lagern gefundene Reibung zu beseitigen, wird der Rotor-Zusammenbau durch das elektrische Feld von sechs Elektroden in den Mittelpunkt gestellt. Nachdem die anfängliche Drehung durch ein Strahl von Helium, das den Rotor zu 4,000 RPM, die polierte Gyroskop-Unterkunft bringt, zu einem Ultrahochvakuum ausgeleert wird, um weiter abzunehmen, ziehen sich der Rotor in die Länge. Vorausgesetzt dass die Suspendierungselektronik angetrieben, die äußerste Rotationssymmetrie bleibt, der Reibung fehlt, und niedrige Schinderei dem winkeligen Schwung des Rotors erlauben wird, es zu behalten, seit ungefähr 15,000 Jahren spinnend.

Ein empfindliches Gleichstrom-TINTENFISCH-Magnetometer, das fähig ist, Änderungen mindestens ein Quant oder ungefähr 2 Wb zu unterscheiden, wird verwendet, um das Gyroskop zu kontrollieren. Ein precesses oder Neigung, in der Orientierung des Rotors veranlasst den Londoner Moment magnetisches Feld, sich hinsichtlich der Unterkunft zu bewegen. Das bewegende Feld führt eine zur Unterkunft befestigte Superleiten-Erholungsschleife durch, einen kleinen elektrischen Strom veranlassend. Der Strom erzeugt eine Stromspannung über einen Rangieren-Widerstand, der zu kugelförmigen Koordinaten durch einen Mikroprozessor aufgelöst wird. Das System wird entworfen, um Drehmoment von Lorentz auf dem Rotor zu minimieren.

Moderner Gebrauch

Zusätzlich zum verwenden in Kompassen, Flugzeug, Computerhinweisen-Geräten, usw., sind Gyroskope in die Verbraucherelektronik eingeführt worden. Da das Gyroskop die Berechnung der Orientierung und Folge erlaubt, haben Entwerfer sie in die moderne Technologie vereinigt. Die Integration des Gyroskops hat genauere Anerkennung der Bewegung innerhalb eines 3D-Raums berücksichtigt als der vorherige einsame Beschleunigungsmesser innerhalb mehrerer smartphones. Gyroskope in der Verbraucherelektronik werden gewöhnlich Beschleunigungsmesser (Beschleunigungssensoren) und eingegangen 3-Achsen-, 6-Achsen-usw. genannt.

Beispiele des Gyroskops in der Verbraucherelektronik schließen Verknüpfung Ein, iPhone 4, Nokia 808 PureView, Playstation 3 Kontrolleur, Wii Remote usw. ein.

Nintendo hat ein Gyroskop in den Wii Entfernten Kontrolleur der Konsole von Wii durch ein zusätzliches Stück der Hardware genannt "Wii MotionPlus" integriert. Es wird auch in 3DS eingeschlossen, der Bewegung entdeckt, wenn er sich dreht.

Vergnügungsreise-Schiffe verwenden Gyroskope, um Bewegung empfindliche Geräte wie das Selbstplanieren von Lache-Tischen zu ebnen.

Siehe auch

• Aerotrim

Wenn sie

• gyro - Schiff antirollen, rollen gyroscopic Ausgleicher.
• Indikator Attitude
• Das Ausgleichen der Maschine
• Rad und Motorrad-Dynamik
• Das Gegensteuern
• Euler biegt um
• Eric Laithwaite
• Einschienenbahn von Gyro
• Gyrocar
• Gyroscopic üben Werkzeug aus
• Indikator Heading
• Reaktionsrad
• Rifling
• Spitze
• Umdrehung und Bankhinweis
• Drehen Sie Koordinator
• LN-3 Trägheitsnavigationssystem
• Ausgleicher (Schiff)
• Struktur-Gyroskop vibrieren lassend

Weiterführende Literatur

• Felix Klein und Arnold Sommerfeld, "sterben Über Theorie des Kreisels" (Tr. Über die Theorie des Gyroskops). Leipzig, Berlin, B.G. Teubner, 1898-1914. 4 v. illus. 25 Cm.
• Audin, M Kreisel: Ein Kurs über Integrable Systeme. New York: Universität von Cambridge Presse, 1996.
• Verhandlungen der Jahrestag-Werkstatt auf Halbleitergyroscopy (am 19-21 Mai 2008. Yalta, die Ukraine). - Kyiv-Kharkiv. A.T.S. der Ukraine. 2009. Internationale Standardbuchnummer 978-976-0-25248-6.

Außenverbindungen

• Der 1974-75 Weihnachten-Vortrag-Professor der Königlichen Einrichtung Eric Laithwaite
• Einrädriger Roboter-Gyrostat durch das Wolfram-Demonstrationsprojekt von Olga Kapustina und Yuri Martynenko
• Die Kleine Spitze Der Ziele eine Pistole durch Gold Sanders, Populärer Wissenschaftsjuli 1945
• Apostolyuk V. Theorie und Design von mikromechanischen schwingungsfähigen Gyroskopen