(Від грец. Gyros - коло, gyreuo - кружляючи, обертаюся і skopeo - дивлюся, спостерігаю), швидко обертається симетричне тв. тіло, вісь обертання догрого (вісь симетрії) може змінювати свій напрям в пр-ве. Г. має низку цікавих св-в, які спостерігаються у обертових небесних тіл, артилерійських снарядів, дитячого дзиги, роторів турбін, встановлених на судах, і ін. На св-вах Г. засновані різноманітні пристрої або прилади, широко застосовуються в суч. техніці.
.
Св-ва Г. проявляються при виконанні двох умов:
1) вісь обертання Р. повинна мати можливість змінювати свій напрям в пр-ве;
2) кут. швидкість обертання Р. довкола своєї осі повинна бути дуже велика в порівнянні з тією кут. швидкістю, доурую матиме сама вісь при зміні свого напрямку.
Найпростішим Г. явл. дитячий дзига, що швидко обертається навколо своєї осі ОА (рис. 1), к-раю може змінювати своє положення в пр-ве, оскільки її кінець А чи не закріплений. У Г. застосовуваних у техніці, вільний поворот осі Г. забезпечують, закріплюючи Г. в рамках (кільцях) 1, 2 карданова підвісу (рис. 2), що дозволяє осі А В зайняти будь-яке положення в пр-ве. Такий Г. має три ступені свободи: він може здійснювати три незалежних повороту навколо осей АВ, DE і GK,
Мал. 2. Гироскоп в кардановом підвісі. Ротор С, крім обертання навколо своєї осі АВ, може разом з рамкою 1 повертатися навколо осі DE u разом з рамкою 2 - навколо осі GK; Про - центр підвісу, що співпадає з центром ваги гіроскопа.
перетинаються в центрі підвісу О, к-рий залишається по відношенню до основи нерухомим. Якщо центр ваги С Г. збігається з центром О, то Г. наз. астатическим (врівноваженим), в іншому випадку - т я ж е л и м.
Перше властивість урівноваженого Р. з трьома ступенями свободи полягає в тому, що його вісь прагне стійко зберігати в світовому пр-ве придане їй початковий напрямок. Якщо ця вісь спочатку направлена на До.-н. зірку, то при будь-яких переміщеннях приладу і випадкових поштовхах вона продовжуватиме вказувати на цю зірку, міняючи своє орієнтування щодо осей, пов'язаних із Землею.
Мал. 3. Дія сили Р на гіроскоп з обертовим ротором; вісь АВ рухається перпендикулярно напрямку сили Р.
Друга властивість Р. виявляється, коли на його вісь (або рамку) починає діяти сила (або пара сил), яка прагне привести вісь в рух (т. Е. Створює обертовий момент щодо центру підвісу). Під дією сили Р, прикладеної до кінця А осі АВ (рис. 3), Г. буде відхилятися не в сторону дії сили, як це було б при необертальному роторі, а в напрямку, перпендикулярному до цієї сили; в результаті Г. разом з рамкою почне обертатися навколо осі DE, притому не прискорено, а з пост. кут. швидкістю. Це обертання зв. прецессией; воно відбувається тим повільніше, чим швидше обертається навколо своєї осі АВ сам Г. Якщо в якийсь момент часу дія сили припиниться, то одночасно припиниться прецесія. і вісь АВ зупиниться.
Величина кут. швидкості прецесії визначається за ф-ле:
.
де М - момент сили Р відносно центра О, a = LАОЕ, W - кут. швидкість власної. обертання Р. довкола осі
Мал. 4. Правило визначення напряму прецесії: дивлячись на ротор з точки прикладання сили Р, встановлюємо по ходу або проти годинникової стрілки обертається ротор; повернувши силу Р навколо осі АВ на 90 ° в ту ж сторону, отримаємо напрям прецесії.
АВ, I - момент інерції Р. відносно тієї ж осі, h = AO - відстань від точки прикладання сили до центру підвісу Г .; друга рівність має місце, коли сила Р паралельна осі DE (зокрема, для важкого Г.). З ф-ли (*) безпосередньо видно, що прецесія відбувається тим повільніше, чим більше W, точніше, чим більше величина H = IW, наз. власним кинетич. моментом Г. Як визначається напрямок прецесії Г. показано на рис. 4.
Поряд з прецессией вісь Г. при дії на неї сили може ще здійснювати т. Н. нутацію - невеликі, але швидкі (зазвичай непомітні на око) коливання осі біля її пор. напрямку. Розмахи цих коливань у швидко обертового Г. дуже малі і через неминуче наявності опорів швидко затухають. Це дозволяє при вирішенні більшості техн. задач знехтувати нутацією і побудувати т. н. елем. теорію Г. враховує тільки прецесію, швидкість до-рій визначається ф-лій (*). Процесійний рух можна спостерігати у дитячої дзиги (рис. 5, а), для к-якого роль центру підвісу грає точка опори О. Якщо вісь такого дзиги поставити під кутом АОЄ до вертикалі і відпустити, то вона під дією сили тяжіння Р буде відхилятися. не в сторону дії цієї сили, т. е. не вниз, а в перпендикулярному до неї напрямі і прецессировать навколо вертикалі. Прецессия дзиги також супроводжується непомітними на око нутацію. коливаннями, швидко затухаючими через опір повітря.
Мал. 5. а - прецесія дзиги під дією сили тяжіння; б - рух осі дзиги при повільному власної. обертанні.
Під дією тертя об повітря власне обертання дзиги поступово сповільнюється, а швидкість прецесії зі соотв. зростає. Коли кут. швидкість обертання дзиги стає менше потужність. величини, він втрачає стійкість і падає. У повільно обертається дзиги нутацію. коливання можуть бути досить помітними і, складаючись з прецессией, істотно змінити картину руху осі дзиги: кінець А осі описуватиме ясно видиму хвилеподібну або петлеподібну криву, то відхиляючись від вертикалі, то наближаючись до неї (рис. 5, б).
Інший приклад прецесійного руху дає артилерійський снаряд (або куля). На снаряд при його русі, крім сили тяжіння, діє сила опору (R) повітря, спрямована приблизно протилежно швидкості центру тяжіння снаряда і прикладена вище центру ваги (рис. 6, а). Невращающейся снаряд під дією цієї сили буде перекидатися, і його політ стане безладним (рис. 6, б); при цьому значно зросте опір руху, зменшиться дальність польоту. Обертається же снаряд володіє всіма св-вами Г. і сила опору повітря викликає його прецесію навколо прямої, по до-рій спрямована швидкість vc (рис. 6, а), т. Е. Навколо дотичній до траєкторії центра ваги снаряда (рис. 6 , в); це робить політ правильним і забезпечує на низхідній гілці траєкторії попадання снаряда в ціль головною частиною.
Мал. 6. а - прецесія артилерійського снаряда; б і в - схеми руху снарядів і їх траєкторії: для невращающейся снаряда (б) і для обертового (в).
Наша планета також явл. гігантським Г. вчиняє як прецесію, так і нутацію.
Якщо вісь АВ ротора Р. закріпити в одній рамці, к-раю може обертатися по відношенню до основи приладу навколо осі DE (рис. 7), то Г. матиме можливість брати участь тільки в двох вирощених - навколо осей А В і DE, т . е. буде мати два ступені свободи. Такий Р. не володіє жодним з св-в Р. з трьома ступенями свободи, однак у нього є інше
Мал. 7. Гироскоп з двома ступенями свободи.
св-во: якщо підстави Г. повідомити вимушене обертання з кут. швидкістю з довкола осі KL, що утворює кут а з віссю АВ, то з боку ротора на підшипники А і В почне діяти пара сил з моментом Mгір = / IWwsina. Ця пара сил прагне найкоротшим шляхом встановити вісь ротора Г. паралельно осі KL, причому так, щоб і обертання ротора, і вимушене обертання було видно що відбуваються в одну і ту ж сторону.
Якщо вісь АВ ротора закріплена в підставі D (рис. 8) і це підстава нерухомо, то вісь не може змінювати свій напрям в пр-ве, і, отже, ротор жодними св-вами Р. не володіє. Однак якщо обертати підставу довкола деякої осі KL з кут. швидкістю w, то по попе щему правилом вісь ротора буде тиснути на підшипники А і В з силами F1 і F2, наз. гіроскопічними силами.
Мал. 8. Дія гіроскопіч. сил на підшипники, що закріплюють вісь, при повороті підстави приладу довкола осі KL.
На морських судах і гвинтових літаках є багато обертових частин: вал двигуна, ротор турбіни або динамомашини, гребні або пов. гвинти і т. п. При розворотах літака або судна, а також при хитавиці на підшипники, в яких укріплені ці обертові частини, діють зазначені гіроскопічні сили, і їх необхідно враховувати при відповідних інженерних розрахунках.
Теорія Г. явл. найважливішим розділом динаміки тв. тіла, яке має нерухому точку. Перераховані св-ва Г. являють собою наслідки законів, до-рим підпорядковується рух такого тіла. Перше з св-в Р. з трьома ступенями свободи - прояв закону збереження кінетичної. моменту, а друге св-во - прояв однієї з теорем динаміки, згідно якої відбувається з плином часу зміна кінетичного моменту тіла дорівнює моменту діючої на нього сили.
Гіроскопи в техніці. Застосовувані в техніці Р. виконують зазвичай у вигляді маховичка з потовщеним ободом, що має масу від дек. г до десятків кг і закріпленого в кардановом підвісі. Щоб повідомити Г. швидке обертання, його часто роблять ротором швидкохідного електромотора пост. або змін. струму. В авіації застосовуються Р. з ротором у вигляді пов. турбинки, що приводиться в рух струменем повітря. Іноді Г. виконують у формі кулі (куля-Г.) З підвісом на пов. плівці, утвореною потоком стисненого повітря; повітряні (газові) опори можуть також застосовуватися в осях підвісу ротора і карданових кілець. У ряді пристроїв використовують поплавковий Г. ротор к-якого укладений в кожух, плаваючий в рідині; цим розвантажуються підшипники кожуха і значно зменшується момент сил тертя в них. Крім того, Г. з рідинними або поплавковими підвісами мало схильні до випадкових вібраційних, ударних і ін. Впливів, що підвищує їх точність. Використовуються також Г. з магнітними і електростатичними підвісами.
В техніці застосовується багато різних гіроскопічних пристроїв, або приладів, заснованих на використанні тих чи інших св-в Р. з трьома або двома ступенями свободи. У них в кач-ве осн. елементів входять один або кілька. Г. а також нек-риє допоміжні. пристосування для коригування напрямку осі Г. або вимірювання кутів її відхилення і т. д. Ці пристрої застосовують в авіації, морському флоті, ракетної і косм. техніці і народному господарстві для вирішення різноманітних навігаці. задач, для управління рухомими об'єктами, їх стабілізації, а також при проведенні деяких спец. робіт (маркшейдерських, топографич. геодезич. і ін.).
Найважливішими навігаці. пристроями явл. гірокомпас і Гіровертикаль (гірогорізонт). Гірокомпас, який вказує напрямок істинного (геогр.) Меридіана, призначається для визначення курсу рухомого об'єкта, а також азимута орієнтованого напряму; його важливі переваги перед магн. компасом полягають у тому, що він вказує істинний, а не магнітний меридіан, і що на його свідчення не впливають переміщаються металеві. маси і електромагнітного магн. поля. Гіровертикаль визначає напрямок істинної вертикалі або площинигоризонту, а також відхилення рухомого об'єкту від цієї площини (кути бортової і кільової качки корабля, кути тангажа і крену летат. Апарату). До навігаці. пристроїв також відносяться: Г. напрямки, що визначають кути відхилення в горизонт. площині об'єкта від заданого напрямку (кути рискання летат. апарату або корабля), зокрема авіація. покажчик повороту; гіромагн. компаси, що визначають магн. курс об'єкта; гірошіроти, к-які служать для визначення широти місця; інерціальні навігаці. системи, призначені для визначення цілої низки параметрів, необхідних для навігації даного об'єкта без використання зовн. сигналів; гіроорбітанти, що визначають кути нишпорення ШСЗ; автопілот і гірорулевие, що забезпечують автоматичне керування соотв. польотом літального апарату або курсом корабля, і ін.
Велике число пристроїв, наз. гіростабілізатори, служить для стабілізації об'єкта або отд. приладів і пристроїв, а також для визначення кут. відхилень об'єкта. Вони застосовуються для автоматичним. управління рухом літаків, суден, торпед, ракет, для зменшення качки судів і для ін. цілей. Розрізняють системи індикаторної і силовий стабілізації. Індикаторна система містить в кач-ве індикатора Г. реєструючий відхилення об'єкта від заданого курсу, і стежить силову систему, до-раю вловлює сигнал про відхилення, підсилює його і передає силовому пристрою (мотору), що повертає об'єкт на заданий курс, зазвичай за допомогою рулів . У силовій системі стабілізація безпосередньо здійснюється масивним Г.
Ряд гіроскопіч. пристроїв, в яких брало використовуються т. н. диференціюють і інтегрують Г. служить для визначення кут. швидкостей об'єкта (гіротахометри) або його кут. прискорень (гіроакселерометри) і кутів повороту, а також лінійних швидкостей об'єкта. До таких належить гіроскопіч. інтегратор прискорень, що дозволяє визначити в будь-який момент часу швидкість ракети при її прискореному русі на поч. ділянці траєкторії.
Суч. техніка вимагає від мн. гіроскопіч. пристроїв дуже високої точності, що викликає великі технол. труднощі при їх виготовленні. Напр. у деяких приладів при масі ротора близько 1 кг для забезпечення потрібної точності зміщення центру ваги від центру підвісу не повинні перевищувати доль мікрона, інакше момент сили тяжіння викличе нежелат. прецесію (догляд) осі Г. Крім того, на точність показань приладів з Г. в кардановом підвісі впливає тертя в осях. Все це призвело до розробки Г. заснованих на ін. Фіз. принципах. Напр. для визначення кут. швидкості об'єкта може застосовуватися вибрац. Г. містить в кач-ве почуття. елемента не обертається ротор, а вібруючі деталі, або лазерний, Г. в к-ром використовується квант. генератор.