4.7 Застосування гіроскопів та гіроскопічних ефектів

Якщо сказати, що гіроскопи знаходять широке практичне застосування, то це нічого не говорить про їх справді надзвичайно широке застосування в самих різних галузях науки і техніки. Як вже відмічалось, таким першим науковим застосування гіроскопа було наглядне експериментальне підтвердження обертання Землі (див. дослід Фуко). У даний час під терміном «гіроскоп» розуміють не тільки тіло, що обертається з великою кутовою швидкістю, але у більш широкому сенсі гіроскоп – це будь-який фізичний прилад, який дозволяє визначити кутову швидкість рухомого об’єкту або його кут повороту. Про такі прилади, які базуються на не тільки на механічних явищах обертання, але і на інших фізичних явищах (навіть оптичних і квантових), буде сказано пізніше. Поки що розглянемо деякі приклади застосування механічних гіроскопів.

Всередині механічного гіроскопу обертається ротор-дзиґа, роблячи декілька десятків тисяч обертів за хвилину. Корпус приладу можна повертати як завгодно, але при цьому вісь обертання гіроскопу буде зберігати своє положення в просторі незмінним. Завдяки цьому явищу гіроскопи використовуються у різних системах навігації та орієнтації. Наприклад, автопілот.

Сучасний «автопілот» – це складний комплекс різноманітних аналізаторів

режимів роботи всіх елементів літака в поєднанні з комп’ютерною системою, яка аналізує дані про роботу цих систем і видає необхідний сигнал для керування польотом літака у заданому напрямі та режимі. Обов’язковими елементами автопілоту є наявність гіроскопів. У одного з них вісь обертання розташовують вертикально і розкручують у такому положення. Завдяки гіроскопічному ефекту цей гіроскоп задає горизонтальний напрям, тобто крила літака повинні бути у горизонтальній площині. Вісь другого гіроскопу розташовують горизонтально, орієнтуючи його вздовж осі літака. Цей гіроскоп постійно «знає» курс літака. При крені літака чи відхиленні від курсу здавачі гіроскопів посилають відповідні електричні сигнали, які приводять у рух елементи керування польотом літака, повертаючи його на заданий режим польоту.

В космічних апаратах гіроскопи є важливою складовою частиною керування рухом цих апаратів.

Для підтримки заданого курсу морських суден теж використовують гороскопи, які виконують роль автостернового. Напрям руху корабля задається напрямом осі вільного обертання гіроскопу. При будь-яких відхиленнях від курсу вісь гіроскопа зберігає свою просторову орієнтацію.

Звичайно, що наведені приклади – лише незначна частина практичного застосування гіроскопів. Крім того, розглядаючи приклади такого застосування, не вказано технічні деталі такого застосування. Так, для забезпечення безперервного обертання гіроскопа з великою кутовою швидкість використовують спеціальні електродвигуни, а сам гіроскоп обертається в особливому підвісі з трьома степенями свободи. Цей підвіс називають карданним, на честь італійського вченого Джероламо Кардано (1501-1576рр.), який винайшов такий підвіс. Не дивлячись на вік такого відкриття карданів, підвіс широко застосовуються і в даний час (автомобілісти добре знають, що таке карданів вал). Рис.4.7.1 ілюструє поведінку гіроскопа у кардановому підвісі.

На цьому рисунку с гіроскоп умовно зображений диском 1, що обертається з кутовою швидкістю , вектор якої має вертикальний напрям. Гіроскоп знаходиться в підвісі з трьох кілець (або рамок), кожне з яких може обертатись у трьох перпендикулярних площинах. Нехай спочатку ці площини перпендикулярні між собою (позиція а). Потім кут між площинами стає довільним (позиція б), але вісь обертання гіроскопу не змінює свого напряму. І нарешті, якщо навіть площини кілець співпадають (позиція г), все одно вісь обертання гіроскопу у просторі має той самий напрям.

Давно відомим практичним застосування гіроскопу є застосування нарізної вогнепальної зброї, яка має гвинтоподібні невеликі заглиблення у каналі ствола для надання кулі або снаряду обертового руху (звідси і назва – гвинтівка, тобто всередині зброї є гвинт). У момент пострілу невеликий поясок кулі виготовлений з м’якого металу (свинець) врізається у гвинтоподібну нарізку каналу ствола. У результаті подальшого руху у каналі куля повертається навколо своєї повздовжньої осі і набуває швидкого обертового руху (рис 4.7.2), і далі вона веде себе подібно гіроскопу, зберігаючи незмінним у просторі напрям осі обертання.

Говорячи про практичне застосування механічних гіроскопів, слід відмити, що вони, не дивлячись на широку глобальну мережу GPS з використанням супутникової системи, залишаються незамінними в особливих умовах, коли відсутні сигнали від супутників. Особливо це стосується підводних човнів.

Сучасна техніка та технології дозволили створити принципово нові гіроскопічні прилади. Так, тепер все більшого застосування набувають мікроелектромеханічні системи (МЭМС). На рис.4.7.3 наведено загальний вигляд мініатюрного гіроскопа мікроелектромеханічної системи. Ще менші розміри мають гіроскопічні прилади на рівні нанотехніки. Такі прилади навіть використовуються у смартфонах. Наприклад, смартфоном знята картинка у горизонтальному положенні предмета (рис.4.7.4.а). Потім повертаємо смартфон у вертикальне положення (рис.4.7.4.б). Але при цьому гіроскопічний пристрій зберігає незмінним своє положення у просторі і «дає команду» повернути зображення у попереднє положення.

Між іншим, на дисплеї смартфона є зображення механічного гіроскопа, який використовують в лабораторних роботах з фізики, вивчаючи розділ динаміки обертового руху.

Закінчуючи розгляд питань практичного застосування гіроскопів, слід відмітити ще один новий напрям гіроскопічної техніки – волокнисто оптичні лазерні гіроскопи. В цих гіроскопах промінь світла поширюється по колу в протилежних напрямах. Зміна орієнтації такого гіроскопа приводить до появи різниці фаз між світловими хвилями.