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陀螺仪为何旋转不倒,原理是什么?

陀螺仪你玩过没有?

陀螺仪陀螺仪

这个堪称神奇的玩意儿就像变魔术一样,只要中心保持高速旋转它就是不倒翁,给它一个支点不但可以倾斜着旋转,还能站在一根细线上甚至笔尖上旋转,给我都能玩一整天。

陀螺仪为何旋转不倒,原理是什么?

我们通常说的和玩的陀螺仪,就是一个简单的机械装置,里面由一个陀螺转子与旋转轴相连,外围是由两个支架组成。

陀螺仪是用高速回转体的动量惯性沿一个或两个轴运动装置,其主要特点是稳定性和定轴性,小小的陀螺仪无处不在,不可或缺,在手机,VR眼镜,体感游戏,飞机平衡等产品上都有使用,陀螺仪也被称为平衡神器。

陀螺仪为何旋转不倒,原理是什么?

在中国古代有一种有趣的取暖器具叫被中香炉,这个香炉的神奇之处是将取暖的炭火放入中心,无论外面的球如何转动,在重力作用下中间的炭火盆会始终保持水平不倒,万向支架的作用就是,为了保证里面物体的平衡状态不被干扰,这跟陀螺仪的结构是一样的。

陀螺仪为何旋转不倒,原理是什么?

古代还出现了另一种玩具叫竹片蜻蜓,这种玩具也被叫陀螺,“陀螺”这个术语最早是由法国物理学家博科提出的,在英语中它是沿轴“回转体”的意思,所以竹片蜻蜓这种在空中沿轴转的回转体也是一种陀螺,这样看来,杂技中的转碟,耍盘子,还有地球等,都可以叫做陀螺。

陀螺仪的中间部份就是我们熟悉的陀螺,弄清楚了陀螺掌握平衡的原因,是否就掌握了陀螺仪平衡的秘密呢?

中国是陀螺的故乡,它是我国民间最古老的玩具之一,吸引了一代又一代人,传统的陀螺是用木制的倒圆锥形,绳子缠绕陀螺,用力拉绳使其旋转,用绳抽打让其持续旋转,陀螺的玩法五花八门,有画圈圈,持久旋转,掷远比赛等,游戏规则也根据不同玩法而不同。

陀螺仪为何旋转不倒,原理是什么?

近年来在年轻人中间流行一种陀螺的新玩法,这种指尖陀螺正在悄悄的流行起来,它与传统陀螺很相似,只需要几根手指就能让其旋转。

陀螺仪为何旋转不倒,原理是什么?

人们一直在寻找永恒旋转,平衡不倒陀螺的这种极致境界,虽然这种平衡很难达到,但现实生活中,让陀螺在较长时间内保持平衡不倒也是可以做到的。

陀螺仪为何旋转不倒,原理是什么?

我们在玩陀螺时缠绕陀螺的线要绕在陀螺的重心上,陀螺的重心在距上平面三分之二的位置,如果没有缠绕在这个位置,陀螺受到的拉力与绳子缠绕的方向上下摆动,使转轴不断的发生偏转,大量的力量就在这偏转的过程中分散流失了,使得陀螺很难围绕一个稳定的轴旋转,就很难转起来。

陀螺仪为何旋转不倒,原理是什么?

如果缠绕在陀螺的重心上,这样就可以把力量全部传递给重心,保持高速地旋转,陀螺上的每一个点与转轴对称的点都同时承载着相等的离心作用,再由于中心的位置位于转轴上,能最大限度的减少旋转过程中重心对转轴的偏转影响,极大的增加旋转的稳定性,就能保持陀螺垂直于地面持久不倒。

陀螺仪为何旋转不倒,原理是什么?

要想陀螺仪不倒就要让它高速旋转,陀螺仪的这个转速一般在每分钟上万次,这个转速必须够快,旋转轴会一直稳定指向一个方向,外围支架无论怎么旋转,里面的陀螺能够依然保持原有的指向性不变。

其实陀螺仪就是高速旋转的陀螺,与灵活转动抗干扰的万向支架,就组成了晃动空间里动态状态中能指示方向的陀螺仪。

陀螺仪发明后首先应用在飞机上,后来又被用在导弹上,采用陀螺仪确定方向和角度,就可计算出飞行路线,从而进行姿态控制。

陀螺仪为何旋转不倒,原理是什么?

你是不是觉得,手机陀螺仪就是把机械陀螺仪缩小了装在手机主板上的,其实我也是这么想的,但永远不要低估科技的力量,现在都发展到有激光陀螺仪,光纤陀螺仪,以及微机电陀螺仪,虽然还叫陀螺仪,但其原理跟机械陀螺仪完全不一样,

激光陀螺仪的原理是利用光程差来测量旋转角速度,在闭合光路中,由同一光源发出的沿顺时针方向和反时针方向传输的两束光和光干涉,利用检测相位差或干涉条纹的变化,就可以测出闭合光路旋转角速度。主要用于航空,航天,国防等高端领域。

光纤陀螺仪的原理是利用光程的变化检测出两条光路的相位差,就可以测出光路旋转角速度,主要用于航空,航海,航天和国防工业和农业领域。

微机电陀螺仪MEMS一般会用在手机等电子产品上,通常有两个方向的可移动电容板,径向的电容板加震荡电压迫使物体做径向运动,横向的电容板测量由于横向运动带来的电容变化,所以由电容的变化可以计算出角速度。

陀螺仪为何旋转不倒,原理是什么?

所以手机陀螺仪又叫角速度传感器,主要是测量物理量是偏转、倾斜时的转动角速度。

传统的惯性陀螺仪都是机械式的,它的精度不是很高,随着技术的发展,现在更多的是利用芯片来实现陀螺仪的功能,一般用在航空航天,手机,导航等高精度,高灵敏度的领域,其结果也更加复杂。

现在的陀螺仪应用好像高大上,但在我们生活中处处可见,自行车上的轮子沿着中心轴运动,这就成了一个陀螺仪,所以只要轮子转动骑车人就不会倒下,动物界中也存在陀螺仪,见下图,看来陀螺仪也不光是人类的专有的啊。

陀螺仪为何旋转不倒,原理是什么?

所以,陀螺仪不仅仅是用在手机里那么简单,大到航海,航空和航天,导弹、卫星运载器,国防等领域,并且地面设施、矿山隧道、地下铁路、石油钻探都离不开它。在生活中汽车导行,手机,环境监控等领域都需要陀螺仪的参与。

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