Гироскоп как средство навигации

Гироскоп как средство навигации

Представить жизнь сегодня без современных устройств навигации невозможно. В настоящей статье представлен процесс их эволюции.  Установлено, что в основе практически всех навигационных систем лежит принцип гироскопа. В статье рассмотрен физический принцип его работы, а также приведены примеры применения гироскопа в самых разных устройствах и оборудовании.

Ключевые слова: навигационное устройство, гироскоп, гирокомпас, гироазимуты, стабилизация.

Потребность человечества в навигации появилась в глубокой древности. Добывая пропитание, для своего племени воинам приходилось преодолевать большие расстояния в ее поисках. Разумеется, двигаясь, по пересеченной местности очень легко сбиться с установленного курса, в этой связи нужны были какие-то ориентиры. В качестве ориентиров в разное время были разные объекты: солнце, звезды, луна и т.д. Как известно ориентирование в местности с помощью этих объектов дело не простое. Солнце в течение года меняет свое местоположение, поэтому необходим постоянный анализ, учитывающий время года. Луна обладает похожим на солнце поведением. Ориентирование по звездам достаточно точное, однако определение намеченного курса затрудняется в облачную погоду. Через некоторое время стали появляться первые карты, но ориентирование по карте невозможно без определения своего местоположения и курса. Кульминацией развития навигации стало открытие явления магнетизма и создание компаса. Однако и компас в современном мире утратил совой статус «точного устройства». Сегодня из курса физики достоверно известно, что географические полюса нашей планеты не совпадают с полюсами магнитными, а значит, компас указывает не точно на север, а на его окрестность. Кроме этого с появлением подводных лодок стало понятно, что и под водой компас ведет себя не корректно, а значит, требуется другое более точное устройство. В настоящее время таким устройством является Гирокомпас.

Гироскоп – это твердое тело, вращающееся с большой угловой скоростью вокруг своей геометрической оси.

Для того чтобы понять принцип его работы необходимо построить некоторый понятийный аппарат из курса общей физики.

Рассмотрим произвольное тело вращающиеся вокруг оси, проходящей через точку «О» и укажем силу, приложенную к телу в точке «А» и введем понятие момента силы.

Моментом силы, действующим на материальную точку «А», относительно точки «О» называют величину, равную векторному произведению радиуса-вектора r, проведенного в точку приложения силы на эту силу. [pic 1][pic 2][pic 3][pic 4][pic 5][pic 6][pic 7][pic 8][pic 9][pic 10][pic 11][pic 12][pic 13][pic 14]

[pic 15]

Вектор момента силы, определенный по правилу векторного произведения, направлен перпендикулярно плоскости рисунка «от нас». Аналогично вводится понятие момента импульса или момента количества движения.

Моментом импульса материальной точки «А» относительно точки «О», называется вектор   [pic 17][pic 18][pic 19][pic 16]

Учитывая выше изложенное, выведем одно из основных уравнений в динамике вращательного движения. Для этого продифференцируем момент импульса по времени, получим: . Учтем, что , следовательно, по направлению совпадает с импульсом P. Тогда первое слагаемое  равно нулю, так как произведение двух параллельных векторов равно нулю. Также заметим, что , следовательно уравнение примет вид:  или . Проделав эти не хитрые математические выкладки мы получили потрясающий результат уравнение являющиеся аналогом знакомого со школы второго закона ньютона в импульсной форме. Проанализируем его. Предположим мы взяли тело на которое не действуют ни какие силы или (что более реалистично) моменты этих сил равны нулю, тогда  , следовательно момент импульса в такой системе, называемой замкнутой, остается величиной неизменной. Поскольку момент импульса характеризуется не только своим количественным значением, но и направлением, следовательно, сохраняется, и величина и, что более важно с практической точки зрения, направление. То есть до тех пор, пока моменты сил действующих на гироскоп равны нулю его ось сохраняет свое направление в пространстве. Это явление гироскопа сегодня нашло огромное применение в технике.[pic 27][pic 28][pic 29][pic 30][pic 31][pic 32][pic 33][pic 34][pic 35][pic 36][pic 37][pic 38][pic 39][pic 40][pic 41][pic 42][pic 43][pic 20][pic 21][pic 22][pic 23][pic 24][pic 25][pic 26]