陀螺儀

陀螺儀的寫法

陀螺儀介紹

繞一個支點高速轉動的剛體稱為陀螺(top)。通常所說的陀螺是特指對稱陀螺，它是一個質量均勻分布的、具有軸對稱形狀的剛體，其幾何對稱軸就是它的自轉軸。由蒼蠅后翅（特化為平衡棒）仿生得來。

在一定的初始條件和一定的外在力矩作用下，陀螺會在不停自轉的同時，還繞著另一個固定的轉軸不停地旋轉，這就是陀螺的旋進(precession)，又稱為回轉效應(gyroscopiceffect)。陀螺旋進是日常生活中常見的現象，許多人小時候都玩過的陀螺就是一例。

人們利用陀螺的力學性質所制成的各種功能的陀螺裝置稱為陀螺儀(gyroscope)，它在科學、技術、軍事等各個領域有著廣泛的應用。比如：回轉羅盤、定向指示儀、炮彈的翻轉、陀螺的章動、地球在太陽（月球）引力矩作用下的旋進（歲差）等。

定義

利用高速回轉體的動量矩敏感殼體相對慣性空間繞正交于自轉軸的一個或二個軸的角運動檢測裝置。利用其他原理制成的角運動檢測裝置起同樣功能的也稱陀螺儀。

結構

陀螺儀陀螺儀的裝置，一直是航空和航海上航行姿態及速率等最方便實用的參考儀表。從力學的觀點近似的分析陀螺的運動時，可以把它看成是一個剛體，剛體上有一個萬向支點，而陀螺可以繞著這個支點作三個自由度的轉動，所以陀螺的運動是屬于剛體繞一個定點的轉動運動。更確切地說，一個繞對稱鈾高速旋轉的飛輪轉子叫陀螺。將陀螺安裝在框架裝置上，使陀螺的自轉軸有角轉動的自由度，這種裝置的總體叫做陀螺儀，陀螺儀的基本部件有：

(1)陀螺轉子(常采用同步電機、磁滯電機、三相交流電機等拖動方法來使陀螺轉子繞自轉軸高速旋轉，并見其轉速近似為常值)；

(2)內、外框架(或稱內、外環，它是使陀螺自轉軸獲得所需角轉動自由度的結構)；

(3)附件(是指力矩馬達、信號傳感器等)。

特性

陀螺儀已經被廣泛用在航空、航天和航海領域。這是由于它的兩個基本特性：一為定軸性，另一個是進動性，它們都建立在角動量守恒的原則下。

定軸性

當陀螺轉子以高速旋轉時，若沒有任何外力矩作用在陀螺儀上時，陀螺儀的自轉軸在慣性空間中的指向保持穩定不變，即指向一個固定方向；同時反抗任何改變轉子軸向的力量。這稱為陀螺儀的定軸性或穩定性。其穩定性隨以下的物理量而改變：

1、轉子的轉動慣量愈大，穩定性愈好；

2、轉子角速度愈大，穩定性愈好。

所謂“轉動慣量”，是描述剛體在轉動中慣性大小的物理量。當以相同的力矩分別作用在兩個繞定軸轉動的不同剛體上，它們所獲得的角速度通常是不一樣的，轉動慣量大的剛體所獲得的角速度小，也就是保持原有轉動狀態的慣性大；反之，轉動慣量小的剛體所獲得的角速度大，也就是保持原有轉動狀態的慣性小。

進動性

當轉子高速旋轉時,若外力矩作用于外環軸，陀螺儀將繞內環軸轉動；若外力矩作用于內環軸，陀螺儀將繞外環軸轉動。其轉動角速度方向與外力矩作用方向互相垂直。這種特性，叫做陀螺儀的進動性。進動角速度的方向取決于動量矩H的方向(與轉子自轉角速度矢量的方向一致)和外力矩M的方向，而且是自轉角速度矢量以最短的路徑追趕外力矩。

這可以通過右手定則來判定。即伸直右手，大拇指與食指垂直，手指順著自轉軸的方向，手掌朝外力矩的正方向，然后手掌與4指彎曲握拳，則大拇指的方向就是進動角速度的方向。

進動角速度的大小取決于外力矩M的大小和轉子動量矩H的大小,其計算式為=M/H。進動性的大小也有三個影響的因素：

1、外界作用力愈大，其進動角速度也愈大；

2、轉子的轉動慣量愈大，進動角速度愈??；

3、轉子的角速度愈大，進動角速度愈小。

功能

1.陀螺方向儀

2.陀螺羅盤

3.陀螺穩定器

4.陀螺穩定平臺

5.速率陀螺儀

6.陀螺垂直儀

作用

陀螺儀作為一種既古老而又很有生命力的儀器，從臺真正實用的陀螺儀器問世以來已有大半個世紀，但直到今天，陀螺儀仍在吸引著人們對它進行研究，這是它本身具有的特性所決定的。陀螺儀最主要的基本特性是它的穩定性和進動性。人們從孩童時玩的地陀螺中早就發現高速旋轉的陀螺可以豎直不倒而保持與地面垂直，這就反映了陀螺的穩定性。研究陀螺儀運動特性的理論是繞定點運動剛體動力學的一個分支，它以物體的慣性為基礎，研究旋轉物體的動力學特性。

陀螺儀器最早應用于航海導航。隨著科學技術的發展，它在航空和航天事業中也得以廣泛應用。陀螺儀器不僅可用作指示儀表，它還可以作為自動控制系統中的一個敏感元件，即可作為信號傳感器。根據需要，陀螺儀器能提供準確的方位、水平、位置、速度和加速度等信號，以便駕駛員或自動導航儀來控制飛機、艦船或航天飛機等航行體按一定的航線飛行，而在導彈、空間探測火箭或衛星運載器等航行體的制導中，則直接利用這些信號完成航行體的姿態控制和軌道控制。作為穩定器，陀螺儀器能使列車在單軌上行駛，能減小船舶在風浪中的搖擺，能使安裝在飛機或衛星上的照相機相對地面穩定等等。作為精密測試儀器，陀螺儀器能夠為地面設施、礦山隧道、地下鐵路、石油鉆探以及導彈發射井等提供準確的方位基準。由此可見，陀螺儀器的應用范圍是相當廣泛的，它在現代化的國防建設和國民經濟建設中都占有很重要的地位。