陀螺儀
陀螺儀（英語：gyroscope），是一種基於角動量守恆的理論，用來感測與維持方向的裝置。陀螺儀主要是由一個位於軸心且可旋轉的轉子構成。由於轉子的角動量，陀螺儀一旦開始旋轉，即有抗拒方向改變的趨向。
陀螺儀多用於慣性導航系統，如哈伯太空望遠鏡、潛水艇。由於其精確性，陀螺經緯儀中也使用陀螺儀來保持隧道採礦的方向。在船舶、飛機和太空飛行器、一般車輛中，陀螺儀可用於陀螺羅盤以輔助或取代磁羅盤，或作為慣性導航系統的一部分。
歷史
編輯1852年法國的物理學家萊昂·傅科為了研究地球自轉，首先發現高速轉動中的轉子（rotor），由於慣性作用它的旋轉軸永遠指向一固定方向，他用希臘文gyro（旋轉）和skopein（看）兩字合為gyroscopei一字來命名這種儀錶。
1860年代，電動馬達的演進使得陀螺儀能夠無限旋轉，進而誕生了第一組航向指示器的原型，甚至是更複雜的儀器——旋轉羅盤。第一組有功能性的旋轉羅盤於1904年由德國發明家赫爾曼·安修斯·康菲申請專利[1]，美國人艾爾默·斯派理在一年後也提出了他自己的設計。其他國家很快地便發覺到陀螺儀在軍事方面的重要性——在這個航行技術為最重要的軍事力量指標的年代，因而創立了他們自己的陀螺儀工業。斯派理陀螺儀公司快速擴張並供應飛機與船艦的穩定器，其他陀螺儀開發商也跟進。[2]
到了20世紀末，原本只在飛機、導彈上存在的陀螺儀逐步民用化，也從機械結構邁入電子時代，使用的原理也不盡相同，然而他們的價格依舊昂貴，感應器集成度也不高，只會用在大型儀器上，但21世紀以來，因為智慧型手機產業的進步，陀螺儀的體積不斷縮小，使得原本笨重而昂貴的陀螺儀忽然變成唾手可得的零組件，也帶動了小型無人機的發展。[3]
結構
編輯陀螺儀的裝置，一直是航空和航海上航行姿態及速率等最方便實用的參考儀錶。
基本上陀螺儀是一種機械裝置，其主要部分是一個對旋轉軸以極高角速度旋轉的轉子，轉子裝在一支架內（見圖一a）；在通過轉子中心軸XX1上加一內環架，那麼陀螺儀就可環繞飛機兩軸作自由運動；然後，在內環架外加上一外環架；這個陀螺儀有兩個平衡環，可以環繞飛機三軸作自由運動，就是一個完整的空間陀螺儀（space gyro）。
特性
編輯陀螺儀用在飛機飛行儀錶的心臟地位，是由於其兩個基本特性：一為定軸性（inertia 或 rigidity），另一是逆動性（precession），這兩種特性都是建立在角動量守恆的原則下。
定軸性
編輯物體維持自身轉動狀態並對抗改變的能力稱為轉動慣量，其由相對於特定旋轉軸的質量分布決定，對多質點物體轉動慣量 ，概言之：質量越大、對軸距離越遠，轉動慣量越大。一方面陀螺轉子的對軸對稱性結構使得其具備了同質量物體較大的對軸轉動慣量，意味著其在同阻力扭矩情況下能夠更長時間保持原始運動狀態；另一方面在軸的、小摩擦與無角自由度限制的支點使得外力無法藉此產生較大且有效的阻力扭矩；因此當陀螺轉子以極高速度旋轉時，其轉動得以維持並保持其軸指向一個相對固定的方向，這種物理現象稱為陀螺儀的定軸性或慣性。
在運轉中的陀螺儀，如果外界施一力在轉子上，此力對支點的力矩當可分解為順軸方向和垂直於軸方向兩個分力矩；前者使陀螺加速、減速，但不會改變轉軸方向；後者的時間積分將會逐漸改變轉動方向（通常是短時較小而隨時間逐漸積累增大），並產生相對於原軸的章動（新的旋轉軸原軸旋轉，如轉速降低時陀螺受重力作用時的非垂直旋轉）。
逆動性
編輯在運轉中的陀螺儀，如果外界施一作用或力矩在轉子旋轉軸上，則旋轉軸並不沿施力方向運動，而是順著轉子旋轉向前90度垂直施力方向運動，此現象即是逆動性。逆動性的大小也有三個影響的因素：外界作用力愈大，其逆動性也愈大；轉子的轉動慣量愈大，逆動性愈小；轉子的角速度愈大，逆動性愈小。而逆動方向可根據逆動性原理取決於施力方向及轉子旋轉方向。
相關條目
編輯注釋
編輯- ^ Hermann Anschütz-Kaempfe and Friedrich von Shirach, "Kreiselapparat"[失效連結] (Gyroscope) Deutsches Reichspatent no. 182855 (filed: 27 March 1904 ; issued: 2 April 1907).
- ^ MacKenzie, Donald. Inventing Accuracy: A Historical Sociology of Nuclear Missile Guidance. Cambridge: MIT Press, 1990. pp. 31–40. ISBN 0-262-13258-3
- ^ 存档副本. [2016-04-21]. （原始內容存檔於2020-05-23）.
參考資料
編輯- 李春霖譯 飛行概要圖解 徐氏基金會 12～15頁
- W. J. Hesse, N. V. S. Mumford, Jr., Jet Propulsion for Application 大學圖書出版社 6～7頁 民國七十一年三月
- E. H. J. Pallett, V. Brown, Aircraft Instruments Principles and Applications 滄海書局 第五章
- J. Roskan, Airplane Flight Dynamics ＆Automatic Flight Controls, Part Ⅰ 滄海書局 25～28頁
- and , "Über die Theorie des Kreisels" (Tr., About the theory of the gyroscope). Leipzig, Berlin, B.G. Teubner, 1898-1914. 4 v. illus. 25 cm.
外部連結
編輯
- The Precession and Nutation of a Gyroscope （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
- Everything you needed to know about gyroscopes （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
- Videos of gyroscopes working （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
- Project in which gyroscopes are used to drive a robotic arm （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
- Theory and Design of Micromechanical Vibratory Gyroscopes Vladislav Apostolyuk