旋转、跳跃还能不倒,陀螺仪了解下
发布时间:2019-09-25
出品:科普中国
制作:中国仪器仪表学会、linkspec
监制:中国科学院计算机网络信息中心
 

 

  旋转吧!陀螺仪 

  陀螺仪,是一种基于角动量守恒的理论,来感测与维持方向的装置。陀螺仪主要是由一个位于轴心且可旋转的转子构成。由于转子的角动量,陀螺仪一旦开始旋转,即有抗拒方向改变的趋向。陀螺仪多用于导航、定位等系统,一直是航空和航海上航行姿态及速率等最方便实用的参考仪表。 

    

  陀螺仪为什么能旋转不倒? 

  陀螺仪用在航空航海的心脏地位,是由于其两个基本特性:一为定轴性,另一是逆动性,这两种特性都是建立在角动量守恒的原则下。当陀螺转子以极高速度旋转时,其转动得以维持并保持其轴指向一个相对固定的方向,这种物理现象称为陀螺仪的定轴性或惯性。在运转中的陀螺仪,如果外界施一作用或力矩在转子旋转轴上,则旋转轴并不沿施力方向运动,而是顺着转子旋转向前90度垂直施力方向运动,此现象即是逆动性 

  中国古代工匠已经制造出“陀螺仪” 

  陀螺在中国有着悠久的历史。考古学上目前最早的应用例子被记载在西汉的《西京杂记》中,提到了能工巧匠丁缓制作出失传的被中香炉,又称银薰球。无论薰球怎样滚动香盂都会保持水平状态,其原理与现代陀螺仪的基本原理完全相同。 

  这种机构随着科学技术的发展有很多重要的应用,意大利学者卡尔达诺最早将这种机构命名为万向支架。1629年,意大利工程师焦瓦尼在罗马出版的《机械》著作中提到利用万向支架的减震作用来运输病人。 

  虽然这种支架由中国早于西方1600多年率先发明,但在这段漫长的岁月中,却只是在生活中进行简单的应用。真正把万向支架用在现代科学研究上的是法国物理学家傅科,陀螺仪(gyroscope)一词也是由他提出。 

    

  大到导弹、核潜艇,小到你的手机,都有陀螺仪 

  然而陀螺仪作为惯性技术中的重要器件,从被发明开始,就在国 

  家先进技术的应用上有着举足轻重的地位。 

  美国科学家德雷珀(Charles Stark Draper)是世界上将陀螺应用于导航的先驱者之一,他提出将自动控制的理论和方法应用于陀螺仪,并率先在麻省理工学院成立了仪器学相关的博士学位点,中国科学家两院院士陆元九先生于1949年获得该学位点的第一个博士学位。 

  无论洲际导弹,还是战略核潜艇,都需要高精度的陀螺仪。正因为陀螺仪在国防科技领域居于核心地位,因此国外严密封锁,必须靠我们自己来研究、来攻克。 

  在现代,陀螺仪有着广泛的应用,在民用上,手机,各类体感游 

  戏机,防抖摄像机,VR设备等都是大家所熟悉的陀螺仪应用设备。 

    

  中国的“陀螺人” 

  纵观100多年的发展历史,经历了机械陀螺,到光纤陀螺,再到原子陀螺的三代发展。  

  以林士谔教授为代表的第一代,“陀螺仪表人”在空白中开创。先后成功研制出我国第一个液浮陀螺、第一个动压气浮陀螺、第一个动调式挠性陀螺等一批在国内有影响力的科研成果,实现了我国陀螺仪从无到有的里程碑式发展,开创了我国航空仪表领域的新局面。 

  以张惟叙教授为代表的第二代陀螺仪表人,在1982年率先开展了光纤陀螺仪的研制,1995年研制成功开环全保偏光纤陀螺,经过30余年的不懈奋斗,我国陀螺仪表人取得了辉煌的成就,推动了我国惯性制导技术由机械陀螺向光学陀螺的跨越,为国防事业和科学研究的发展做出了重大贡献。 

      现在,正在研究量子陀螺的第三代 “陀螺人”希望能实现这 

  一国防核心技术,甚至“领跑”世界。 

    

  中国的“陀螺”精神 

  新时代,陀螺仪表人正在不断地传承老一代科学家爱国奉献、淡泊名利的优良品质,把科技成果应用在实现国家现代化的伟大事业中。 

  此刻,不知道有多少由他们参与研制的陀螺在飞速旋转着。也许在浩瀚宇宙中的卫星里,也许在大洋深处的潜艇中,也许在空中翱翔的飞机里,也许在实验基地的仪器中。也许某一天,它们会停止旋转,但是到这一天一定有更先进的陀螺出现。“陀”颖而出,“螺”地生根,在祖国每一个需要它们的地方旋转。陀螺不停转,中国梦永恒! 

  很多时候,我们远比自己想象中的更加优秀,有梦想,才不会因走得太远而忘记为什么出发。科技发展、科技力量的积累需要一代又一代人投身于科学研究当中。 

  祖国大地上,一座座科技丰碑,凝结了一代又一代科技工作者的心血与汗水,一次又一次科技创新,离不开他们的付出与坚守。科技兴则民族兴,这些敢为人先,矢志创新的科技工作者是民族的脊梁,他们让中国的科技事业满天繁星,生生不息。 

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