陀螺儀

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定軸陀螺儀
偏軸陀螺儀
迴轉儀的構造
三軸

陀螺儀英文gyroscope),是一種用來感測與維持方向的裝置,基於角动量守恒的理論設計出來的。陀螺儀主要是由一個位於軸心且可旋轉的轉子構成。 陀螺儀一旦開始旋轉,由於轉子的角动量,陀螺儀有抗拒方向改變的趨向。陀螺儀多用於導航定位等系統。

歷史[编辑]

1850年法國物理學家莱昂·傅科(J.Foucault)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。

結構[编辑]

陀螺儀的裝置,一直是航空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,就是一個完整的太空陀螺儀(space gyro)。

特性[编辑]

陀螺儀被用在飛機飛行儀錶的心臟地位,是由於它的兩個基本特性:一為定軸性(inertia or 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[编辑]

物体维持自身转动状态并对抗改变的能力成为转动惯量,其由相对于特定旋转轴的质量分布决定,对多质点物体转动惯量I = \sum_{i=1}^N {m_i r_i^2},概言之:质量越大、对轴距离越远,转动惯量越大。一方面陀螺转子的的对轴对称性结构使得其具备了同质量物体较大的对轴转动惯量,意味着其在同阻力扭矩情况下能够更长时间保持原始运动状态;另一方面在轴的、小摩擦与无角自由度限制的支点使得外力无法籍此产生较大且有效的阻力扭矩;因此當陀螺轉子以極高速度旋轉時,其转动得以维持并保持其轴指向一個相对固定的方向,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,此力对支点的力矩当可分解为顺轴方向和垂直于轴方向两个分力矩;前者使陀螺加速、减速,但不会改变转轴方向;后者的时间积分将会逐渐改变转动方向(通常是短时较小而随时间逐渐积累增大),并产生相对于原轴的章动(新的旋转轴原轴旋转,如转速降低时陀螺受重力作用时的非垂直旋转)。

參見[编辑]

注释[编辑]

參考資料[编辑]

  • 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[编辑]