陀螺仪原理

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1. 引言
陀螺仪可算是非常复杂的物体，因为它们以独特的方式运动，甚至像在抵抗重力。正是这些特殊属性使其在各个方面（包括自行车和宇宙飞船上的先进导航系统）都有极为重要的用途。一般的飞机要用约10多个陀螺仪，遍布在罗盘和自动驾驶仪等各个地方。俄罗斯米尔空间站（Russian Mir space station）曾使用11个陀螺仪保持其方向对准太阳。哈勃太空望远镜也安装了大量导航陀螺仪。同样，陀螺效应对溜溜球和飞盘等玩具也至关重要。
在本文中，我们将了解陀螺仪的应用为何如此广泛，以及它们的奇妙运动的成因！

2. 陀螺效应：进动
如果您玩过陀螺玩具，就知道它能表演各种各样有趣的绝技。陀螺能在细线或手指上保持平衡；能以非常奇妙的方式抵制自转轴运动；但最有趣的陀螺效应还数进动。这是陀螺仪抵抗重力的表现。
根据这一原理，回转的自行车轮能够像下图所示的那样悬在空中：

陀螺仪“抵抗重力”的能力令人莫名惊诧！
它是怎么做到的？
这种神秘的效应就是“进动”。一般情况下，进动的发生过程是：如果有一个陀螺仪正在旋转，而您施力转动它的自转轴，则陀螺仪反而会围绕与力轴成直角的轴转动，如下列图形所示：

图1中，陀螺仪正围绕自己的轴旋转。图2中，施力转动陀螺仪的自转轴。图3中，陀螺仪沿着与输入力方向垂直的轴对输入力做出反应。
那么，为何会发生进动呢？

3. 进动产生的原因
陀螺仪为何会发生这种运动？自行车车轮的轮轴居然能像前面图形所示的那样悬在空中，看上去简直不可思议。不过，只要想想陀螺仪在旋转时不同部位实际上都发生了什么，就会明白这种运动完全正常！
让我们研究一下陀螺仪旋转时的两个小部位——顶端和底端，如图所示：

向轮轴施力时，标示的两点会倾向于朝图中指示的方向运动。
如图所示，在向轮轴施力时，陀螺仪的顶端部位将试图向左运动，而底端部位则试图向右运动。如果陀螺仪没有旋转，则车轮会倒下。如果陀螺仪正在旋转，那么试想一下这两个部位都发生了什么：牛顿第一运动定律指出，运动中的物体会持续沿直线匀速运动，直到受到不平衡力的作用为止。因此，陀螺仪顶点受施加到轮轴的力的作用，开始向左运动。根据牛顿第一运动定律，它会继续向左运动，但在陀螺仪的自转作用下又开始旋转，如下图所示：

两个点一边旋转，一边继续原来的运动。
这种效应就是进动的成因。陀螺仪的不同部位在同一点受力，但随后又转动到新的位置！当陀螺仪顶端的部位向一侧转动90度时，会由于惯性而继续保持向左运动的状态。底端的部位也是如此——向一侧转动90度时，会由于惯性而继续保持向右运动的状态。这些力沿进动方向转动车轮。当标示的点继续转动的角度超过90度时，原来的运动就停止了，于是陀螺仪的轴悬在空中并开始进动。经过这样一番研究，您就明白进动一点都不神秘了，它完全符合物理定律！

4. 陀螺仪的应用
总的来说，进动效应就是一旦开始旋转陀螺仪，它的轴就总是试图指往同一方向。的确，只要将陀螺仪放在一套平衡环中，它就能持续指向同一方向。这也是陀螺罗经的基本原理。
如果在一个平台上装两个陀螺仪，并让它们的轴互成直角，然后把平台放入一套平衡环中，那么无论平衡环怎样转动，平台都将完全保持稳定。这是惯性导航系统（inertial navigation systems，即INS）的基本原理。
在INS中，平衡环轴上的传感器会探测平台的转动。INS通过这些信号获悉交通工具相对于平台的转动。如果为平台添加一套带有三个敏感加速计的装置，就能准确辨别交通工具驶向何方，及其在所有三个方向的运动变化。有了此信息，飞机的自动驾驶仪就能使飞机沿航线飞行，火箭的导航系统就能让火箭进入理想轨道！
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罗盘工作原理
本文包括：
1. 罗盘工作原理
无论站在地球上什么位置，手拿一个罗盘时，罗盘都将始终指向北极。这真是不可思议且奇妙的事情！想像一下您位于海洋的中央，环顾四周全是一望无际的海水，而且阴云密布看不到太阳……如果没有罗盘告诉您哪个方向是“北”，究竟怎么才能知道应该向哪个方向行进？在GPS卫星和其他高科技导航辅助工具出现之前的很长时间内，罗盘向人类提供了一种简单而且不太昂贵的方法来帮自己定位。
但是罗盘可以这样工作的原理是什么呢？为什么对于检测小型磁场非常有用，正如我们在电磁体工作原理中看到的那样？本文中，我们将为您解答所有的这些问题，并将探讨如何从零开始制作罗盘！
罗盘是一种极其简单的装置。磁性罗盘（与陀螺罗盘相反）由很小、很轻的磁铁平衡放置在几乎没有摩擦的支点上。磁铁通常称为指针。在指针的一端标记有“N”意思是北，或涂成其他颜色以表示指向的是北。从表面看来，这就是罗盘的全部了。


罗盘能如此工作的原因则有趣得多。可以想像成在地球里面埋了一个巨大的条形磁铁。为了使罗盘的北端指向北极，需要假设埋下的条形磁铁的南端在北极，如右图所示。如果这样理解世界，您就会发现电磁通用的“异性相吸”的规律会使罗盘指针的北端指向所埋条形磁铁的南端。因此罗盘就会始终指向北极。
准确而言，条形磁铁与地球的旋转轴心并不是完全重合的，而是轻微地偏离中心。此偏离称为偏差，大多数优质地图都会指出不同的区域偏差是多少（因为根据地球上位置的不同会有微小的差异）。
地球的磁场在地球表面相当的微弱。毕竟，地球这颗行星直径几乎有1.3万多公里，因此磁场需要经过很长的距离才能影响到罗盘。这就是为什么罗盘需要用重量很轻的磁铁和无摩擦支撑的原因。否则，地球表面的磁场强度就不足以转动指针。


尽管“埋在核心的巨大条形磁铁”这个比喻很好地解释了为什么地球具有磁场，但显然真实情况并非如此。那么真实情况是什么呢？
没有人确切地知道，但是当前有一种工作原理的说法正广为流传。如上所述，人们认为地球的核心大部分是由熔化的铁（红色的）组成。但在其最核心处，压力非常大以致于使那些超高温度的铁结晶成固体。从核心放射出来的热所产生的对流以及地球的旋转，使液体铁进入到旋转模式。人们认为正是液体铁层中这些旋转的力量减弱了旋转轴周围的磁力。
事实是因为地球的磁场如此微弱，而罗盘只是检测器，可以检测任何事物产生的微弱磁场。这也就是为什么我们可以用罗盘来检测带电金属丝产生的小型磁场（请参阅电磁体工作原理）。
自制罗盘
如果您还没有罗盘，可以采用人们数百年前的方法来制作自己的罗盘。要制作自己的罗盘，需要以下材料：
        一根针或其他金属丝一样的铁片（例如，弄直的曲别针）
        能够浮起的小东西——一块软木、聚苯乙烯泡沫塑料咖啡杯底、一块塑料片、牛奶罐的盖……
        一个盘子，最好是饼形盘，直径23-30厘米，装上大约2.5厘米深的水
第一步是使针带上磁性。最简单的方法就是用另一个磁铁——用磁铁在针上划动10或20次，如下图所示。


如果在家里找不到磁铁，还有两个资源可以利用：开瓶器和自制电磁铁（请参阅电磁体工作原理）。
将浮体放在那盘水的中间，如下所示。


“水上的浮体”技术是一种简单的制作无摩擦支撑的方法。将带了磁性的针放在浮体上。它会缓慢地指向北方。这样您就制成了一个罗盘！
像上一页中制作的磁性罗盘在移动的平台（如船和飞机）上使用时会出现一些问题。因为它必须是水平的，而且当平台转动时会缓慢地校正自己。因为这种趋势，所以大多数轮船和飞机使用的是陀螺罗盘。
旋转的陀螺，如果由装有万向节的支架支撑并旋转，即使支架移动或旋转它也会保持所指向的方向。在陀螺罗盘中，正是利用这种趋势来仿效磁性罗盘。在开始旅行之前，用磁性罗盘作为参考使陀螺罗盘的轴指向北方。陀螺罗盘中的马达能使陀螺罗盘保持旋转，因此陀螺罗盘将始终持续指向北方并可以快速准确地调整自己，即使船是在波涛汹涌的海水中前进或是飞机遇到了湍流也不会受到影响。此外还应该使用磁性罗盘定期地校准陀螺罗盘，以纠正可能出现的任何错误。
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醉生梦死

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