Effets gyroscopiques dans la nature. Perspectives de développement de l'instrumentation gyroscopique

Plan:

Introduction

• 1. Histoire
• 2 Classement
  • 2.1 Gyroscopes mécaniques
    • 2.1.1 Propriétés d'un gyroscope rotatif biaxial
    • 2.1.2 Gyroscopes vibrants
      • 2.1.2.1 Principe de fonctionnement
      • 2.1.2.2 Variétés
  • 2.2 Gyroscopes optiques
• 3 Application des gyroscopes à la technologie
  • 3.1 Systèmes de stabilisation
  • 3.2 Nouveaux types de gyroscopes
  • 3.3 Perspectives de développement de l'instrumentation gyroscopique
  • 3.4 Utiliser un gyroscope dans les smartphones et les consoles de jeux
• 4 Jouets basés sur un gyroscope
• 5 remarques
• 6 Littérature
• 7 départements
  • 8.1 Fédération Russe
  • 8.1.2 Ukraine
  • 8.2.3 États-Unis
  • 8.3.4 France
  • 8.4.5 Allemagne

Introduction

Illustration de la propriété principale d'un gyroscope 3-DOF (fonctionnement idéalisé).

Gyroscope(du grec ancien. γῦρος "cercle" et σκοπέω "Je regarde") est un corps solide en rotation rapide, base d'un appareil du même nom, capable de mesurer les changements dans les angles d'orientation du corps qui lui est associé par rapport au système de coordonnées inertielle, généralement basé sur la loi de conservation. du moment cinétique (moment cinétique).

Précession

Précession croissante (à mesure que le volant ralentit)

Animation de la précession d'un gyroscope mécanique.

1. Histoire

Gyroscope inventé par Foucault (construit par Dumolin-Froment, 1852)

Gyroscope au MAKS-2009

Avant l’invention du gyroscope, l’humanité utilisait diverses méthodes pour déterminer la direction dans l’espace. Depuis l’Antiquité, les hommes se laissent guider visuellement par des objets lointains, notamment par le Soleil. Déjà dans l’Antiquité, les premiers instruments sont apparus : un fil à plomb et un niveau, basés sur la gravité. Au Moyen Âge, une boussole a été inventée en Chine qui utilisait le magnétisme de la Terre. En Europe, l'astrolabe et d'autres instruments ont été créés en fonction de la position des étoiles.

Le gyroscope a été inventé par Johann Bonenberger et a publié une description de son invention en 1817. Cependant, le mathématicien français Poisson a mentionné Bonenberger comme l'inventeur de cet appareil en 1813. La partie principale du gyroscope Bonenberger était une boule massive en rotation dans un cardan. En 1832, l'Américain Walter R. Johnson a eu l'idée d'un gyroscope à disque tournant. Le scientifique français Laplace a recommandé cet appareil à des fins pédagogiques. En 1852, le scientifique français Foucault améliore le gyroscope et l'utilise pour la première fois comme instrument montrant les changements de direction (en l'occurrence, la Terre), un an après l'invention du pendule de Foucault, également basé sur la conservation des angles. élan. C'est Foucault qui a inventé le nom de « gyroscope ». Foucault, comme Bonenberger, utilisait des cardans. Au plus tard en 1853, Fessel invente une autre version de la suspension du gyroscope.

L'avantage d'un gyroscope par rapport aux appareils plus anciens est qu'il fonctionne correctement dans des conditions difficiles (mauvaise visibilité, tremblements, interférences électromagnétiques). Cependant, le gyroscope s’est rapidement arrêté à cause du frottement.

Dans la seconde moitié du XIXe siècle, il a été proposé d'utiliser un moteur électrique pour accélérer et entretenir le mouvement du gyroscope. Le gyroscope a été utilisé pour la première fois dans les années 1880 par l'ingénieur Aubrey pour stabiliser la trajectoire d'une torpille. Au XXe siècle, les gyroscopes ont commencé à être utilisés dans les avions, les fusées et les sous-marins à la place ou en conjonction avec une boussole.

2. Classement

Les principaux types de gyroscopes selon le nombre de degrés de liberté :

• 2-pouvoir (intégrant, doublement intégrant, différenciant)
• 3 degrés.

Il existe deux grands types de gyroscopes selon leur principe de fonctionnement :

• gyroscopes mécaniques,
• gyroscopes optiques.

Selon leur mode de fonctionnement, les gyroscopes sont répartis en :

• capteurs de vitesse angulaire,
• panneaux de direction.

Cependant, un même appareil peut fonctionner dans des modes différents selon le type de commande.

2.1. Gyroscopes mécaniques

Schéma d'un gyroscope mécanique simple dans un cardan

Parmi les gyroscopes mécaniques, il se distingue gyroscope rotatif- un corps solide (rotor) à rotation rapide dont l'axe de rotation est capable de changer d'orientation dans l'espace. Dans ce cas, la vitesse de rotation du gyroscope dépasse largement la vitesse de rotation de son axe de rotation. La principale propriété d'un tel gyroscope est la capacité de maintenir une direction constante de l'axe de rotation dans l'espace en l'absence d'influence de moments de forces extérieures sur celui-ci.

Cette propriété a été utilisée pour la première fois par Foucault en 1852 pour démontrer expérimentalement la rotation de la Terre. C'est grâce à cette démonstration que le gyroscope tire son nom des mots grecs « rotation », « observer ».

2.1.1. Propriétés d'un gyroscope rotatif biaxial

Précession d'un gyroscope mécanique.

Lorsqu'il est exposé à un moment de force externe autour d'un axe perpendiculaire à l'axe de rotation du rotor, le gyroscope commence à tourner autour de l'axe de précession, qui est perpendiculaire au moment des forces externes.

Par exemple, si l'on permet à l'axe gyroscopique de se déplacer uniquement dans le plan horizontal, alors l'axe tend à s'aligner le long du méridien, de sorte que la rotation de l'appareil se produit de la même manière que la rotation de la Terre. Si l’axe peut se déplacer verticalement (dans le plan du méridien), alors il tend à devenir parallèle à l’axe de la terre. C'est cette propriété remarquable du gyroscope qui a déterminé l'utilisation généralisée de l'appareil.

Cette propriété est directement liée à l’apparition de la force dite de Coriolis. Ainsi, lorsqu’il est exposé à un moment de force externe, le gyroscope tournera initialement précisément dans la direction du moment externe (lancement de nutation). Chaque particule du gyroscope se déplacera ainsi avec une vitesse angulaire de rotation portable due au couple. Mais le gyroscope rotatif, en plus de cela, tourne lui-même, ce qui signifie que chaque particule aura une vitesse relative. Par conséquent, une force de Coriolis apparaîtra, qui forcera le gyroscope à se déplacer dans une direction perpendiculaire au moment appliqué, c'est-à-dire à précéder. La précession provoquera une force de Coriolis dont le moment compensera le moment de la force externe.

L'effet gyroscopique des corps en rotation est une manifestation de la propriété fondamentale de la matière : son inertie.

Simplifié, le comportement du gyroscope est décrit par l'équation :

où les vecteurs et sont respectivement le moment de force agissant sur le gyroscope et son moment cinétique, le scalaire est son moment d'inertie, les vecteurs sont à la fois la vitesse angulaire et l'accélération angulaire.

Il s'ensuit que le moment de force appliqué perpendiculairement à l'axe de rotation du gyroscope, c'est-à-dire perpendiculaire, conduit à un mouvement perpendiculaire aux deux et, c'est-à-dire au phénomène de précession. La vitesse angulaire de précession d'un gyroscope est déterminée par son moment cinétique et le moment de force appliqué :

c'est-à-dire qu'elle est inversement proportionnelle à la vitesse de rotation du gyroscope.

2.1.2. Gyroscopes vibrants

Les gyroscopes vibrants sont des appareils qui maintiennent leurs vibrations dans un seul plan lorsqu'ils tournent. Ce type de gyroscope est beaucoup plus simple et moins cher avec une précision comparable à un gyroscope rotatif. Dans la littérature étrangère, le terme « gyroscopes vibrants Coriolis » est également utilisé - puisque le principe de leur fonctionnement est basé sur l'effet de force de Coriolis, comme les gyroscopes rotatifs.
Par exemple, des gyroscopes vibrants sont utilisés dans le système de mesure d’inclinaison du scooter électrique Segway. Le système se compose de cinq gyroscopes à vibration dont les données sont traitées par deux microprocesseurs.
C'est ce type de gyroscopes qui est utilisé dans les appareils mobiles, notamment dans l'iPhone 4

2.1.2.1. Principe d'opération

Deux poids suspendus vibrent sur un avion dans un gyroscope MEMS avec une fréquence de .

Lorsque le gyroscope tourne, une accélération de Coriolis se produit égale à , où est la vitesse et la fréquence angulaire de rotation du gyroscope. La vitesse horizontale de la masse oscillante est obtenue comme : , et la position de la masse dans le plan est . Le mouvement hors plan provoqué par la rotation du gyroscope est égal à :

- coefficient de raideur du ressort dans la direction perpendiculaire au plan.

• - l'ampleur de la rotation dans le plan perpendiculaire au mouvement de la masse oscillante.
• 2.1.2.2. Variétés
• Gyroscopes piézoélectriques.
• Gyroscopes à ondes à semi-conducteurs.
• Gyroscopes à diapason.

Gyroscopes à rotor vibrant

Gyroscopes MEMS.

2.2. Gyroscopes optiques

Ils sont divisés en gyroscopes à fibre optique et laser. Le principe de fonctionnement est basé sur l'effet Sagnac et est expliqué théoriquement à l'aide du STR. Selon STR, la vitesse de la lumière est constante dans tout référentiel inertiel. Alors que dans un système non inertiel, cela peut différer de c. Lors de l'envoi d'un faisceau lumineux dans le sens de rotation de l'appareil et contre le sens de rotation, la différence du temps d'arrivée des rayons (déterminé par l'interféromètre) permet de retrouver la différence des trajets optiques des rayons dans le système de référence inertiel et, par conséquent, l'ampleur de la rotation angulaire du dispositif lors du passage du faisceau.

3. Application des gyroscopes à la technologie Les propriétés d'un gyroscope sont utilisées dans des appareils - des gyroscopes dont la partie principale est un rotor à rotation rapide, qui possède plusieurs degrés de liberté (axes de rotation possibles)., Les plus couramment utilisés sont les gyroscopes placés dans des cardans (voir figure). De tels gyroscopes ont 3 degrés de liberté, c'est-à-dire qu'ils peuvent effectuer 3 rotations indépendantes autour de leurs axes AA" BB" Et CC", qui reste par rapport à la base UN immobile.

Gyroscopes dans lesquels le centre de masse coïncide avec le centre du cardan Ô, sont appelés gyroscopes astatiques, sinon statiques.

Pour assurer la rotation du rotor du gyroscope à grande vitesse, des gyromoteurs spéciaux sont utilisés.

Pour contrôler le gyroscope et en obtenir des informations, des capteurs d'angle et des capteurs de couple sont utilisés.

Les gyroscopes sont utilisés comme composants aussi bien dans les systèmes de navigation (horizon artificiel, gyrocompas, INS, etc.) que dans les systèmes non réactifs d'orientation et de stabilisation des engins spatiaux.

3.1. Systèmes de stabilisation

Les systèmes de stabilisation sont de trois types principaux.

• Système de stabilisation de puissance (sur gyroscopes à 2 degrés).

Un gyroscope est nécessaire pour la stabilisation autour de chaque axe. La stabilisation est réalisée par un gyroscope et un moteur de déchargement ; au début, le moment gyroscopique agit, puis le moteur de déchargement est connecté.

• Système de stabilisation de puissance d'indicateur (sur gyroscopes à 2 degrés).

Un gyroscope est nécessaire pour la stabilisation autour de chaque axe. La stabilisation s'effectue uniquement en déchargeant les moteurs, mais au début un petit moment gyroscopique apparaît, qui peut être négligé.

• Système de stabilisation des indicateurs (sur les gyroscopes à 3 degrés)

Pour stabiliser autour de deux axes, un gyroscope est nécessaire. La stabilisation s'effectue uniquement par déchargement des moteurs.

3.2. Nouveaux types de gyroscopes

Les exigences constamment croissantes en matière de précision et de performances des dispositifs gyroscopiques ont contraint les scientifiques et les ingénieurs de nombreux pays du monde non seulement à améliorer les gyroscopes classiques à rotor rotatif, mais également à rechercher des idées fondamentalement nouvelles qui résolvent le problème de la création de capteurs sensibles. capteurs pour mesurer et afficher les paramètres du mouvement angulaire d'un objet.

Actuellement connu plus d'une centaine divers phénomènes et principes physiques qui permettent de résoudre des problèmes gyroscopiques. En Russie et aux États-Unis, des milliers de brevets et de certificats de droits d'auteur ont été délivrés pour des découvertes et des inventions pertinentes.

Étant donné que des gyroscopes de précision sont utilisés dans les systèmes de guidage des missiles stratégiques à longue portée, les informations sur les recherches menées dans ce domaine ont été classées comme classifiées pendant la guerre froide.

L'orientation du développement des gyroscopes quantiques est prometteuse.

3.3. Perspectives de développement de l'instrumentation gyroscopique

Aujourd'hui, des systèmes gyroscopiques assez précis ont été créés pour satisfaire un large éventail de consommateurs. La réduction des fonds alloués au complexe militaro-industriel dans les budgets des principaux pays du monde a fortement accru l'intérêt pour les applications civiles de la technologie gyroscopique. Par exemple, l'utilisation de gyroscopes micromécaniques dans les systèmes de stabilisation des voitures ou dans les caméras vidéo est aujourd'hui très répandue.

Selon les partisans des méthodes de navigation telles que le GPS et le GLONASS, les progrès remarquables dans le domaine de la navigation par satellite de haute précision ont rendu inutiles les aides à la navigation autonomes (dans la zone de couverture du système de navigation par satellite (SNS), c'est-à-dire au sein de la planète). Actuellement, les systèmes SNS sont supérieurs aux systèmes gyroscopiques en termes de poids, de dimensions et de coût.

Actuellement en développement système de navigation par satellite de troisième génération. Il vous permettra de déterminer les coordonnées d'objets à la surface de la Terre avec une précision de plusieurs centimètres en mode différentiel, lorsqu'ils se situent dans la zone de couverture du signal de correction DGPS. Dans ce cas, il n’est apparemment pas nécessaire d’utiliser des gyroscopes directionnels. Par exemple, l'installation de deux récepteurs de signaux satellite sur les ailes d'un avion permet d'obtenir des informations sur la rotation de l'avion autour d'un axe vertical.

Cependant, les systèmes GPS sont incapables de déterminer avec précision la position dans les environnements urbains où la visibilité des satellites est mauvaise. Des problèmes similaires se retrouvent dans les zones boisées. De plus, le passage des signaux SNS dépend des processus dans l'atmosphère, des obstacles et des réflexions des signaux. Les appareils gyroscopiques autonomes fonctionnent n'importe où : sous terre, sous l'eau, dans l'espace.

Dans les avions, le GPS s’avère plus précis que les accéléromètres sur de longues distances. Mais l’utilisation de deux récepteurs GPS pour mesurer les angles d’inclinaison des avions entraîne des erreurs pouvant atteindre plusieurs degrés. Le calcul du cap en déterminant la vitesse de l'avion à l'aide du GPS n'est pas non plus très précis. Par conséquent, dans les systèmes de navigation actuels, la solution optimale est une combinaison de systèmes satellitaires et gyroscopiques, appelée système INS/SNS intégré.

Au cours des dernières décennies, le développement évolutif de la technologie gyroscopique s’est rapproché du seuil des changements qualitatifs. C'est pourquoi l'attention des spécialistes dans le domaine de la gyroscopie se concentre désormais sur la recherche d'applications non standard pour de tels dispositifs. De toutes nouvelles tâches intéressantes se sont ouvertes : exploration minière, prévision des tremblements de terre, mesure ultra-précise de la position des voies ferrées et des oléoducs, équipements médicaux et bien d'autres.

3.4. Utiliser un gyroscope dans les smartphones et les consoles de jeux

Une réduction significative du coût de production des gyroscopes MEMS a conduit à leur utilisation dans les smartphones et les consoles de jeux.

L'apparition d'un gyroscope MEMS dans le nouveau smartphone Apple iPhone 4 ouvre de nouvelles opportunités dans les jeux 3D et dans la formation de la réalité augmentée. Aujourd'hui déjà, divers fabricants de smartphones et de consoles de jeux utilisent des gyroscopes MEMS dans leurs produits. Bientôt, il y aura des applications sur les smartphones et les consoles de jeux qui feront de l'écran de l'ordinateur une fenêtre sur un autre : le monde virtuel. Par exemple, dans un jeu 3D, l'utilisateur, en déplaçant son smartphone ou sa console de jeu mobile, verra d'autres aspects du jeu - la réalité virtuelle. En soulevant le smartphone, l'utilisateur verra le ciel virtuel, et en l'abaissant, l'utilisateur verra la terre virtuelle. En tournant dans les directions cardinales, il peut regarder autour de lui dans le monde virtuel. Le gyroscope fournit au programme des données sur la manière dont le smartphone est orienté par rapport au monde réel, et le programme connecte ces données au monde virtuel. De la même manière, mais plus dans le jeu, vous pouvez utiliser un gyroscope pour créer de la réalité augmentée.

Aussi gyroscope a commencé à être utilisé dans les contrôleurs de jeu, tels que Sixaxis pour Sony PlayStation 3 et Wii MotionPlus pour Nintendo Wii. Ces deux contrôleurs utilisent deux capteurs spatiaux complémentaires : un accéléromètre et gyroscope. Pour la première fois, Nintendo a lancé un contrôleur de jeu capable de déterminer sa position dans l'espace - la télécommande Wii pour la console de jeu Wii, mais il n'utilise qu'un accéléromètre tridimensionnel. Un accéléromètre 3D n'est pas capable de mesurer avec précision les paramètres de rotation lors de mouvements hautement dynamiques. Et c'est pourquoi dans les derniers contrôleurs de jeu : Sixaxis et Wii MotionPlus, en plus de l'accéléromètre, un capteur spatial supplémentaire a été utilisé - gyroscope.

4. Jouets gyroscopiques

Les exemples les plus simples de jouets fabriqués à partir d'un gyroscope sont un yo-yo, une toupie et des modèles d'hélicoptères.
Les sommets diffèrent des gyroscopes en ce sens qu'ils n'ont pas de point fixe unique.
De plus, il existe un simulateur gyroscopique sportif.

5. Remarques

1. Johann G. F. Bohnenberger (1817) « Beschreibung einer Maschine zur Erläuterung der Gesetze der Umdrehung der Erde um ihre Axe, und der Veränderung der Lage der letzteren » (« Description d'une machine pour expliquer les lois de la rotation de la Terre autour de son axe et le changement de direction de ce dernier ») Tübinger Blätter für Naturwissenschaften et Arzneikunde, vol. 3, pages 72-83. Sur Internet : http://www.ion.org/museum/files/File_1.pdf - www.ion.org/museum/files/File_1.pdf
2. Siméon-Denis Poisson (1813) « Mémoire sur un cas particulier du mouvement de rotation des corps pesans », Journal de l'École Polytechnique, vol. 9, pages 247 à 262. Sur Internet : http://www.ion.org/museum/files/File_2.pdf - www.ion.org/museum/files/File_2.pdf
3. Photo du gyroscope de Bonenberger : http://www.ion.org/museum/item_view.cfm?cid=5&scid=12&iid=24 - www.ion.org/museum/item_view.cfm?cid=5&scid=12&iid=24
4. Walter R. Johnson (janvier 1832) "Description d'un appareil appelé rotascope pour présenter plusieurs phénomènes et illustrer certaines lois du mouvement rotatif", Le Journal américain de la science et de l'art, 1ère série, vol. 21, non. 2, pages 265-280. Sur Internet : http://books.google.com/books?id=BjwPAAAAYAAJ&pg=PA265&lpg=PR5&dq=Johnson+rotascope&ie=ISO-8859-1&output=html - books.google.com/books?id=BjwPAAAAYAAJ&pg=PA265&lpg= PR5&dq =Rotoscope Johnson&ie=ISO-8859-1&output=html
5. Des illustrations du gyroscope (« rotascope ») de Walter R. Johnson apparaissent dans : Board of Regents, Dixième rapport annuel du Conseil des régents de la Smithsonian Institution….(Washington, DC : Cornelius Wendell, 1856), pages 177-178. Sur Internet : http://books.google.com/books?id=fEyT4sTd7ZkC&pg=PA178&dq=Johnson+rotascope&ie=ISO-8859-1&output=html - books.google.com/books?id=fEyT4sTd7ZkC&pg=PA178&dq=Johnson rotascope&ie = ISO-8859-1&output=html
6. Wagner JF, « La Machine de Bohnenberger », L'Institut de Navigation. Sur Internet : http://www.ion.org/museum/item_view.cfm?cid=5&scid=12&iid=24 - www.ion.org/museum/item_view.cfm?cid=5&scid=12&iid=24
7. L. Foucault (1852) « Sur les phénomènes d'orientation des corps tournants entraînés par un axe fixe à la surface de la terre », Comptes rendus hebdomadaires des séances de l’Académie des Sciences (Paris), vol. 35, pages 424-427. Sur Internet : http://www.bookmine.org/memoirs/pendule.html - www.bookmine.org/memoirs/pendule.html. Faites défiler jusqu’à « Sur les phénomènes d’orientation… »
8. (1) Julius Plücker (septembre 1853) "Über die Fessel'sche rotationsmachine", Annales de la physique, vol. 166, non. 9, pages 174-177 ; (2) Julius Plücker (octobre 1853) « Noch ein wort über die Fessel'sche rotationsmachine », Annales de la physique, vol. 166, non. 10, pages 348 à 351 ; (3) Charles Wheatstone (1864) "Sur le gyroscope de Fessel", Actes de la Royal Society de Londres, vol. 7, pages 43 à 48. Sur Internet : http://books.google.com/books?id=CtGEAAAAIAAJ&pg=RA1-PA307&lpg=RA1-PA307&dq=Fessel+gyroscope&source=bl&ots=ZP0mYYrp_d&sig=DGmUeU4MC8hAMuBtDSQn4GpAyWc&hl=en&ei=N4s9SqOaM5 gf62vUH&sa=X&oi=book_result&ct=result&resnum=9 - livres .google.com/books?id=CtGEAAAAIAAJ&pg=RA1-PA307&lpg=RA1-PA307&dq=Gyroscope de Fessel&source=bl&ots=ZP0mYYrp_d&sig=DGmUeU4MC8hAMuBtDSQn4GpAyWc&hl=en&ei=N4s9SqOaM5vKtgf62v Euh &sa=X&oi=book_result&ct=result&resnum=9 .
9. Lynch D.D. Développement HRG chez Delco, Litton et Northrop Grumman //Actes de l'atelier anniversaire sur la gyroscopie à semi-conducteurs (19-21 mai 2008. Yalta, Ukraine). - Kyiv-Kharkiv. ATS d'Ukraine. 2009.- ISBN978-976-02-5248-6.
10. Sarapuloff S.A. 15 ans de développement de la gyrodynamique du solide en URSS et en Ukraine : résultats et perspectives de la théorie appliquée //Proc. de la réunion technique nationale de l'Institut américain de navigation (ION) (Santa Monica, Californie, États-Unis. 14-16 janvier 1997). - P.151-164.
11. Article sur deepapple.com : « Le mystère de la puce AGD1 a été révélé, ou du gyroscope de l'iPhone 4 sous rayons X » - deepapple.com/news/37653.html
12. Forum des professionnels de l'informatique. Article : « Le gyroscope d'un smartphone ouvrira une fenêtre sur une nouvelle dimension » - habrahabr.ru/blogs/games/95788/

6. Littérature

• Borozdine V.N. Appareils gyroscopiques et appareils de système de contrôle : Manuel. manuel pour les collèges techniques., M., Génie Mécanique, 1990.
• Merkuryev I.V., Podalkov V.V. Dynamique des gyroscopes micromécaniques et ondulatoires à semi-conducteurs. - M. : FIZMATLIT, 2009. - 228 p. - ISBN978-5-9221-1125-6
• Systèmes gyroscopiques / Éd. DS Pelpora. A 3 heures M. : Plus haut. école, 1986-1988. Partie 1 : Théorie des gyroscopes et stabilisateurs gyroscopiques 1986 ; Partie 2 : Dispositifs et systèmes gyroscopiques. 1988 ; Partie 3 : Éléments des dispositifs gyroscopiques. 1988
• Pavlovski M.A. Théorie des gyroscopes : manuel pour les universités., Kiev, Vishcha School, 1986.
• Sivukhin D.V. Cours de physique générale. - 5ème édition, stéréotypée. - M. : Fizmatlit, 2006. - T. I. Mécanique. - 560 s. -ISBN5-9221-0715-1

7. Départements

8.1. Fédération Russe

• Site Internet du café "Automatisation et fabrication d'instruments électroniques" du nom de KAI. A.N. Tupolev - au.kai.ru
• Site Internet du café "Instruments et systèmes d'orientation, de stabilisation et de navigation" MSTU. N.E Bauman - iu2.bmstu.ru
• Site Internet du café « Complexes automatisés d'orientation et de navigation » de l'Institut de l'aviation de Moscou - www.mai.ru/colleges/fac_3/kaf/k305/
• Site Internet du café "Systèmes d'information et de navigation" Université d'État de Saint-Pétersbourg ITMO - www.elektropribor.spb.ru/IFMO/index.html
• Site Internet du café "Mécanique théorique" SSAU - manuel Petrishchev V.F. "Éléments de la théorie du gyroscope et son application pour le contrôle des engins spatiaux" - www.termech.ru/index.php?option=com_content&task=view&id=71&Itemid=36
• Site officiel de l'Institut d'ingénierie énergétique et de mécanique de l'Institut de l'énergie de Moscou (TU) - www.enmi.ru/
• Site Internet du café « Instruments et systèmes d'orientation, de stabilisation et de navigation » Université d'État de Tula - www.gyroscopes.ru/?id=33
• Site Internet du café "Ingénierie des instruments" SSTU - sstu.ru/node/3062
• Site Web du Département d'ingénierie des instruments de SUSU - instrcon.susu.ac.ru/

8.1.2. Ukraine

• Site Internet du café "Instruments et systèmes de contrôle pour avions, NTUU "KPI" - www.faks.ntu-kpi.kiev.ua/pskla/
• Site Internet du café «Instruments et systèmes d'orientation et de navigation», NTUU «KPI» - pson.kiev.ua/
• Site Internet du café "Systèmes de contrôle d'avions" nommé d'après KhAI. N.E. Joukovski - k301.info

L'expérience montre que si un corps est mis en rotation autour d'un certain axe puis laissé à lui-même, alors la position de l'axe de rotation dans l'espace change avec le temps. Vous pouvez conserver la position de l'axe de rotation inchangée si vous le fixez avec des roulements. Cependant, il existe des axes de rotation des corps qui ne changent pas d'orientation dans l'espace sans action sur eux. forces externes. Ces axes sont appelés gratuit axes.

Dans tout corps, il existe trois axes perpendiculaires entre eux passant par le centre de masse du corps, qui sont des axes de symétrie, qui peuvent être des axes libres.

Pour la stabilité de la rotation, il est d'une grande importance lequel des axes libres sert d'axe de rotation. L'expérience montre que la rotation autour des axes avec les moments d'inertie les plus élevés et les plus bas est stable et que la rotation autour de l'axe avec le moment d'inertie moyen est instable.

Ainsi, si vous lancez un parallélépipède et le faites tourner en même temps, alors, à mesure qu'il tombe, il tournera régulièrement autour des axes 1 et 2 (Fig. 4.7.1).

La propriété des axes libres de maintenir leur position dans l'espace est largement utilisée en technologie. Les plus intéressants à cet égard sont les gyroscopes, des corps massifs homogènes tournant à grande vitesse angulaire autour de leur axe de symétrie, qui est un axe libre.

Pour que l'axe du gyroscope change de direction dans l'espace, il faut que le moment des forces extérieures soit différent de zéro. Lorsqu'on tente de provoquer une rotation de l'axe du gyroscope, un phénomène appelé effet gyroscopique est observé : sous l'influence de forces qui devraient faire tourner l'axe du gyroscope autour d'une ligne droite, l'axe du gyroscope tourne autour d'une ligne droite (Fig. 4.7 .2). Le comportement apparemment artificiel du gyroscope est pleinement conforme aux lois de la dynamique du mouvement de rotation. En effet, le moment des forces et , tendant à faire tourner l'axe du gyroscope autour de l'axe, est dirigé le long d'une droite vers la gauche (selon la règle de la vrille).

Au fil du temps, le moment cinétique du gyroscope recevra un incrément, et cet incrément aura la même direction que (le vecteur se situe dans le plan du dessin et est dirigé vers la gauche). Au fil du temps, le moment cinétique du gyroscope deviendra égal (le vecteur se situe dans le plan de la figure). Puisque la direction du moment cinétique coïncide avec la direction de l’axe du gyroscope, la direction coïncide avec la nouvelle direction de l’axe du gyroscope. Ainsi, l'axe du gyroscope tournera selon un angle autour de l'axe.

Si l'axe du gyroscope est fixé par des roulements, à la suite de l'effet gyroscopique, des forces gyroscopiques apparaissent qui agissent sur les supports dans lesquels tourne l'axe du gyroscope. Ils doivent être pris en compte lors de la conception de dispositifs contenant des composants massifs en rotation rapide (par exemple, les roulements de turbines à vapeur sur les navires).

Les gyroscopes sont utilisés dans divers appareils de navigation (gyrocompas, gyrohorizon, pilote automatique, pilote automatique, etc.).

Chapitre 5. Vibrations mécaniques

Considérons une manifestation aussi intéressante de l'inertie que l'effet gyroscopique. Beaucoup de choses ont été écrites sur l’effet gyroscopique et son utilisation dans de nombreux appareils. Nous soulignons ici brièvement l'application typique dans les transports de l'effet gyroscopique, qui permet de stabiliser une voiture dans l'espace, ou plutôt de la protéger des mouvements angulaires dans un sens ou dans l'autre. Le plus souvent, ils parlent de stabiliser non pas la voiture entière, mais une plate-forme.

Il est à noter que les plateformes stabilisées sont très largement utilisées en technologie. Par conséquent, avant de parler d'exemples spécifiques de stabilisation de véhicules de transport, définissons brièvement les propriétés du gyroscope et la manière exacte dont il stabilise les plates-formes.

Le gyroscope dit à deux degrés, qui est nécessairement un composant des plates-formes stabilisées, est illustré à la Fig. 9.1. Flèche sur le volant

Riz. 9.1.

/ -gyroscope; 2 - capteur d'angle ; 3 - servoamplificateur ; 4 - servomoteur; 5 - corps; 6 - plate-forme; 7 - l'axe de la plateforme indique le sens de sa rotation. Le cadre dans lequel le volant lui-même est placé tourne autour axe X, le volant lui-même est autour de l'axe Z, et la plateforme est stabilisée par rotation dans le plan de sa base, c'est-à-dire autour d'un axe vertical.

Le comportement du gyroscope est entièrement déterminé par le phénomène d'inertie. Disons que nous voulons faire pivoter la plate-forme dans le sens de la flèche en pointillé. Puis les points sur la jante du volant coupant l'axe X, ayant une vitesse linéaire bien définie, se déplacera vers la droite et la gauche. On sait cependant combien il est difficile de déplacer un point massif en mouvement rapide, et quelle résistance, due à l'inertie, il oppose à un corps qui entre en contact avec lui. Points d'intersection des axes Oui avec la jante du volant, lors de la rotation de la plate-forme, ils changeront de vitesse en direction, ce qui provoque également une résistance due à l'inertie. Ces points font tourner l'axe Z volant d'inertie, « essayant » de réduire l'écart de vitesse par rapport à la direction d'origine. Cette rotation sera le mouvement de l’avant de l’essieu Z vers le bas et celui de l'arrière vers le haut. Le volant est représenté dans cette position légèrement déviée.

Mais ce n'est pas tout. Les points dont nous venons de parler, changeant le sens de leur vitesse et étant reliés à la jante, parcourent avec elle une certaine distance le long du cercle, et le nouveau plan de leur rotation n'est plus le même qu'avant, "Essayant" par inertie pour maintenir le mouvement d'origine, ces points font tourner l'axe du volant ET dans le même sens qu'avant.

Il s'avère que lorsque vous essayez de faire pivoter la plate-forme dans le sens indiqué par la flèche pointillée, le volant, tournant dans le sens de la flèche pleine, résistant à la rotation de la plate-forme, fait tourner son axe Z, et avec lui le cadre, mais la plateforme elle-même ne tourne pas. Autrement dit, lorsque nous essayons de faire pivoter la plate-forme, nous faisons pivoter l'axe du gyroscope. La direction de ce renversement, ou plutôt son début, est montrée sur la Fig. 9.2. Dans la position où l'axe Z est perpendiculaire à l'axe de rotation de la plateforme, la résistance du volant d'inertie est la plus élevée. Lorsque ces axes s'alignent lors de la rotation de l'axe Z, la résistance disparaît.

De cette façon, bien sûr avec une certaine approximation, il est possible d'expliquer l'effet gyroscopique sans recourir à des appareils mathématiques, et en même temps la raison pour laquelle la plate-forme est stabilisée, en la protégeant de la rotation. Moment,

Riz. 9.2.

7 - volant moteur ; 2 - axe du cadre intérieur

en essayant de faire tourner la plate-forme, nous appelons cela un moment externe, et la rotation du plan du volant en rotation et avec lui du cadre est appelée précession.

Cependant, il est impossible de stabiliser les plates-formes de manière fiable et à long terme de la manière décrite. Tôt ou tard, le volant alignera son axe avec l’axe de rotation de la plateforme et la propriété de stabilisation disparaîtra. Et même pendant la précession du volant, la plateforme ne reste pas immobile, mais tourne encore lentement sous l'influence d'un moment extérieur.

Pour que la stabilisation soit fiable et stable, il est nécessaire d'influencer la précession du volant à l'aide d'un servomoteur (moteur auxiliaire) monté sur le corps de la machine.

En figue. La figure 9.3 montre une plate-forme stabilisée à un seul axe. Lorsqu'une précession du gyroscope (volant dans un cadre) apparaît, le capteur d'angle la détecte et, après avoir amplifié le signal dans le servoamplificateur, le dirige vers le servomoteur dont le stator est fixé dans le boîtier. Le servomoteur, grâce à un réducteur qui augmente son couple, commence à faire tourner la plate-forme autour de son axe, ce qui provoque à son tour une rotation correspondante (précession forcée) du gyroscope et le retour de la plate-forme à sa position précédente).

Cette méthode de stabilisation est appelée stabilisation gyroscopique à force. Le moment stabilisateur créé par le gyroscope est un moment gyroscopique qui se produit lors de la précession du gyroscope et est dirigé perpendiculairement aux axes de précession et à sa propre rotation.

Riz. 9.3.

7 - gyroscope ; 2 - cadre; 3 - poignée

Il est égal en ampleur et en direction opposée au moment extérieur agissant sur la plateforme et provoquant la précession du gyroscope. Le moment gyroscopique, et donc l'effet stabilisateur sur la plateforme du gyroscope lui-même, n'existe que tant que la précession existe. Lorsque le couple du servomoteur devient égal au couple perturbateur, la précession s'arrête et la plate-forme est stabilisée uniquement par le servomoteur.

Les propriétés stabilisatrices des volants d'inertie sont utilisées dans les wagons dits monorail, dont l'équilibre est maintenu par un dispositif gyroscopique stabilisateur placé à l'intérieur. Cette propriété des gyroscopes a été utilisée pour stabiliser un chariot à deux roues par l'ingénieur russe R.P. Shilovsky, et même plus tôt par l'Anglais L. Brenan.

Dans les wagons monorail, deux options pour placer le stabilisateur gyroscopique sont utilisées : dans la première, l'axe principal du gyroscope est situé verticalement ; dans le second, le couchage est placé horizontalement et perpendiculairement à l'axe longitudinal de la voiture. Selon la deuxième option, un stabilisateur gyroscopique pour le wagon monorail Brenan a été fabriqué. Le rotor massif était monté sur des roulements dans le cadre (Fig. 9.3), grâce à quoi il tourne librement autour de son axe AA, parallèle au bas de la voiture. Le châssis était installé sur roulements dans un châssis fixé rigidement dans la carrosserie de la voiture de manière à ce que le plan du gyroscope, formé par ses axes AA AA" BB,était perpendiculaire à l'axe longitudinal CC de la voiture.

Indiquer au rotor du gyroscope la vitesse angulaire de rotation maximale possible autour de son axe AA, Ils obtinrent un système dont le mouvement obéissait à la loi fondamentale de la précession. Pour influencer le gyroscope par un moment extérieur, le cadre était équipé d'une poignée. Lorsque la voiture s'est inclinée vers la droite dans le sens de la marche, le conducteur a appuyé sur la poignée en essayant de la tourner vers la gauche. Cela a créé une force agissant sur le gyroscope par rapport à l'axe. BB moment M, dirigé dans le sens inverse des aiguilles d’une montre lorsque l’on regarde la plate-forme d’en haut. Sur le coup M. le gyroscope a reçu un mouvement de précession autour de l'axe longitudinal de la voiture SS. En conséquence, l'axe AA le gyroscope était aligné avec l'axe BB. Le châssis étant rigidement relié à la carrosserie, cette dernière participait à la précession du gyroscope. À la suite de ce mouvement, l'inclinaison de la voiture a commencé à diminuer et, lorsque la plate-forme a pris une position horizontale, le conducteur a cessé d'appuyer sur la poignée.

Le circuit de stabilisation gyroscopique décrit a été mis en œuvre dans un wagon monorail construit pour l'exposition anglo-japonaise de 1912 à Londres. La calèche pouvait accueillir jusqu'à 40 personnes à la fois et transportait les visiteurs dans la zone d'exposition.

Le prototype des voitures modernes à voie unique stabilisées - la voiture à deux roues de P. P. Shklovsky - est apparu en 1914 dans les rues de Londres. L'équipage (Fig. 9.4) était équipé d'un gyroscope, lui assurant une stabilité non seulement en mouvement, mais aussi à l'arrêt. Le gyroscope était constitué d'un rotor massif tournant à vitesse angulaire autour de l'axe AA dans un bâti capable de tourner autour de l'axe BB dans des supports rigidement fixés au soubassement de la voiture. Le châssis était relié par une transmission à engrenages à l'arbre d'un moteur électrique commandé par un interrupteur dont l'axe longitudinal était placé parallèlement à l'axe BB.

Lors de l'embarquement des passagers ou lorsqu'ils se déplaçaient à l'intérieur de la voiture alors que celle-ci était en mouvement, la caisse de la voiture avait tendance à tourner autour de l'axe longitudinal CC. Dans ce cas, la bille métallique, roulant vers l'inclinaison à l'intérieur de l'interrupteur, a fermé l'une des deux paires de contacts de commande À, ou K2. Ainsi, il a fermé l'une des deux paires de connecteurs de contrôle.

Riz. 9.4.

1 -gyroscope; 2 - moteur électrique ; 3 - changer; 4 - balle

barres À ou K2. Cela a allumé le moteur, créant un couple agissant sur le gyroscope. Si la voiture s'inclinait vers la gauche, la balle fermait les contacts K2 et le moteur électrique a créé un moment dirigé vers le côté gauche de la voiture.

Sous l'influence du moment, le gyroscope, et avec lui la carrosserie, reçoit un mouvement de précession autour de l'axe longitudinal SS machine, dans laquelle l'axe AL du gyroscope tend à s'aligner avec l'axe BB. En conséquence, la carrosserie de la voiture commence à se stabiliser, réduisant ainsi les inclinaisons vers l’horizon. Lorsque l'équipage revient en position horizontale, la boule de commutation ouvre les contacts de commande, puis le couple est appliqué au gyroscope, et ainsi le véhicule tourne autour de son axe. SS s'arrêtera.

La voiture restera en position horizontale jusqu'à ce qu'une nouvelle perturbation fasse à nouveau basculer la voiture. Le fonctionnement décrit du stabilisateur gyroscopique sera répété à nouveau et la position horizontale de l'équipage sera à nouveau rétablie.

Lors de l'exposition internationale de l'automobile de 1961, un modèle de la nouvelle voiture à deux roues « Giron » a été présenté et ses premiers échantillons ont été testés il n'y a pas si longtemps. Comme dans la voiture de Chilovski, la position horizontale de la voiture Giron était stabilisée par un gyroscope situé sous le capot de la voiture. Le rotor du gyroscope d'un diamètre de 60 cm tournait autour d'un axe vertical à une fréquence de 6 000 tr/min. Une voiture avec un moteur de 80 ch. Avec. Grâce à sa forme aérodynamique parfaite, il atteignait des vitesses allant jusqu'à 140 km/h. Le véhicule est équipé (situées à l'arrière de la carrosserie) de deux petites roues auxiliaires qui sortent automatiquement du véhicule lorsque sa vitesse descend en dessous de 5 km/h. Ils soutiennent la voiture en stationnement lorsque le volant du gyroscope ne tourne pas. Ce véhicule est utilisé dans les zones montagneuses difficiles d'accès : il peut facilement circuler sur des sentiers situés sur des pentes à forte pente.

Le système de stabilisation décrit est appelé puissance. Il était également utilisé pour les stabilisateurs de navire, et les dimensions et la masse du gyroscope étaient vraiment énormes : le diamètre du volant d'inertie pouvait atteindre 4 m et le poids pouvait atteindre 110 tonnes, cependant, par rapport à la masse totale du navire. , la masse du stabilisateur gyroscopique n'était qu'environ 1 %.

Actuellement, les stabilisateurs équipés de gyroscopes de contrôle sont de plus en plus utilisés pour calmer le mouvement d'un navire. Dans ce cas, le navire est équipé de compartiments spéciaux le long des côtés, à partir desquels de petits gouvernails de commande latéraux peuvent s'étendre au-delà de la coque. Par temps calme, les gouvernails sont rétractés à l'intérieur du corps, et en cas de tempête, lors de vagues, ces gouvernails s'étendent, et l'extension est régulée par un gyroscope. Les gouvernails peuvent tourner autour d'un axe, modifiant les forces de levage et de plongée, qui sont également contrôlées par un gyroscope.

Le gyroscope ici est sans force et est donc de petite taille et léger. Toutes ses actions se résument à détecter la vitesse de rotation du navire autour de l'axe longitudinal et à allumer les moteurs correspondants qui contrôlent les gouvernails via un relais. L'installation de stabilisateurs de tangage avec un gyroscope de contrôle réduit le tangage du navire d'environ 4 à 5 fois. De tels stabilisateurs sont installés sur les bateaux à moteur soviétiques "Alexandre Pouchkine" et "Mikhail Lermontov", ce qui garantit un mouvement calme des navires même par vent de force neuf.

Ainsi, l’inertie, cette propriété fondamentale de la matière, est largement utilisée en technologie. La principale manifestation de l'inertie - travail dérivé lors du freinage des corps et accumulation d'énergie lors de leur accélération - permet de créer des accumulateurs d'énergie inertielle. Ces batteries sont très prometteuses, car les limites théoriques de stockage d'énergie qu'elles contiennent sont encore plusieurs fois supérieures au niveau atteint, et de plus, les premières augmentent constamment avec l'avènement de matériaux plus durables.

La propriété des volants d'inertie de maintenir leur axe inchangé dans l'espace pendant la rotation et de précéder lorsqu'ils sont exposés à des moments extérieurs est également directement liée à l'inertie. Cette propriété a permis de créer des instruments et dispositifs gyroscopiques, sans lesquels la technologie moderne, et principalement les transports - navires, avions, fusées, n'auraient pas atteint le niveau de développement actuel.

L'étude et l'application pratique de l'inertie promettent à l'humanité de nouveaux progrès technologiques et d'énormes avantages économiques.

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Sujet : « L'effet gyroscopique et son application »

Introduction

L'amélioration constante des systèmes de contrôle des avions s'accompagne du développement continu de leurs appareils de mesure (MD).

Les principaux composants des appareils de mesure embarqués comprennent les accéléromètres, les systèmes gyroscopiques, les dispositifs optoélectroniques, etc.

Les dispositifs gyroscopiques (GU) occupent l'une des places importantes dans les systèmes de contrôle des avions. L'élément principal du GU est le gyroscope, qui est un corps symétrique à rotation rapide. Le mot « gyroscope » se compose de deux mots grecs : « gyros » – rotation et « skopeo » – observer, regarder.

Un corps en rotation rapide acquiert, à première vue, une propriété difficile à expliquer de maintenir sa position angulaire inchangée dans l'espace inertiel - la propriété de stabilité. L’homme a remarqué cette qualité inhabituelle des corps en rotation dans les temps anciens.

Tout le monde connaît le plateau de jouet qui, lorsqu'il est tourné à une vitesse angulaire u, acquiert une stabilité par rapport au plan horizontal. Pendant de nombreux siècles, la toupie est restée un simple jouet. I. Newton (1642-1727) fut le premier à étudier le sommet. Membre de l'Académie des sciences de Russie L. Euler (1707-1783) a dérivé les équations du mouvement d'un corps rigide par rapport à son support fixe. Ces scientifiques exceptionnels anticipaient l’avenir radieux du sommet.

La théorie de la toupie a été développée plus avant dans les travaux de J. Lagrange (1736-1813) et L. Poinsot (1777-1859). Cependant, la toupie restait encore un jouet jusqu'à ce que L. Foucault (1819-1868) la place dans un dispositif composé de deux anneaux et nommé d'après son inventeur Cardan - un cardan. Le dispositif ainsi formé s'appelait gyroscope et fut démontré pour la première fois par L. Foucault en 1852 lors d'une réunion de l'Académie des sciences de Paris (Fig. 1)

Le début de l'utilisation pratique des dispositifs gyroscopiques est associé à 1898, lorsque le lieutenant de l'armée autrichienne Aubry proposa un dispositif assurant la stabilisation de la trajectoire d'une torpille navale.

De nouvelles possibilités d'utilisation pratique des appareils gyroscopiques se sont ouvertes dans le cadre de la publication des travaux de l'éminent scientifique russe N.E. Joukovski. En 1912, il propose d'installer un gyroscope sur un avion afin d'augmenter la stabilité de l'appareil. Dans ce cas, l'appareil remplissait les fonctions d'un organe exécutif, à l'aide duquel des moments de contrôle et d'amortissement étaient créés par rapport au centre de masse de l'appareil. Actuellement, les actionneurs gyroscopiques sont largement utilisés dans les systèmes de stabilisation angulaire des engins spatiaux.

Riz. 1 Schéma de la maquette du premier gyroscope de L. Foucault, 1852

gyroscope optique laser à flotteur

1. Gyroscope et ses principales propriétés

La propriété découverte du sommet a ouvert des perspectives intéressantes pour son utilisation. Imaginons que nous observions le globe du côté de son pôle Nord N depuis l'espace (Fig. 2).

Riz. 2 Déviation du gyroscope dans le temps par rapport au plan de l'horizon

Supposons également qu'à l'instant initial nous avons vu le sommet installé sur l'équateur au point B0, et que son axe principal AA1 est dirigé d'ouest en est et situé horizontalement. En raison de la rotation quotidienne de la Terre, le point B0 change continuellement de position. Au bout de trois heures, il se déplacera au point B3, après six heures au point B6, après douze heures au point B12, etc. jusqu'à ce qu'il revienne à sa position d'origine après 24 heures. On sait qu'en tout point de la surface de la Terre, le plan de l'horizon est perpendiculaire au rayon du globe (c'est-à-dire que le plan de l'horizon change de position dans l'espace mondial au fil du temps). Par conséquent, pour un observateur de l’espace mondial, sa position pour un point de la surface terrestre situé à l’équateur apparaîtra comme une ligne droite. Ainsi, au point B0 ce sera la droite a0b0, au point B3 - la droite a3b3, au point B3 - la droite a6b6, etc.

Le point de suspension du sommet, fixé à l'aide d'anneaux de cardan immobiles à la surface terrestre, participe également à la rotation quotidienne de la Terre.

L'axe principal d'un tel sommet ne conservera pas une position constante par rapport au plan de l'horizon. Rester stable dans l’espace mondial, l’axe principal AA1 le sommet s'écartera du plan horizontal. De plus, l'angle de cette déviation sera égal à l'angle de rotation du globe.

Par conséquent, un observateur situé à la surface de la Terre à côté d'un sommet dans une suspension à cardan pourra déterminer l'angle de rotation du globe autour de son axe par la déviation de son axe principal par rapport au plan horizontal.

L'appareil de Foucault permettait d'observer directement la rotation quotidienne de la Terre, c'est pourquoi on l'appelait gyroscope.

Un gyroscope à rotation rapide offre une résistance significative à toute tentative de changement de position dans l'espace. Si vous agissez sur son anneau extérieur NK ( Fig.3) par la force F, En essayant de faire pivoter le gyroscope autour de l’axe CC1, vous pouvez vérifier la résistance du gyroscope à la force externe.

Le gyroscope commencera à tourner non pas autour de l'axe CC1, mais autour de l'axe BB1. dans le sens indiqué par la flèche. La vitesse de rotation du gyroscope autour de l'axe BB1 ​​sera d'autant plus grande que la force F sera grande.

Riz. 3 Résistance du gyroscope aux forces extérieures

Parallèlement, d’autres propriétés intéressantes du gyroscope ont été découvertes. Des expériences ont montré qu'en serrant les vis d, situé sur la bague extérieure NK, privant ainsi le gyroscope de la liberté de tourner autour de son axe BB1, créer des conditions dans lesquelles le gyroscope aura tendance à aligner son axe principal AA1 avec le plan méridien. Pour ce faire, il faut d'abord régler l'axe principal du gyroscope dans le plan horizontal. Si vous serrez la vis d1, situé sur le corps À dispositif, et priver ainsi le gyroscope de liberté de rotation autour de son axe CC1, puis l'axe principal AA1à condition qu'il soit préalablement aligné avec le plan méridien, il aura tendance à s'aligner sur une ligne parallèle à l'axe du monde.

Pour comprendre la nature des diverses propriétés du gyroscope, tournons-nous vers quelques concepts et lois de base de la mécanique.

2. Propriété du gyroscope à rotor à trois degrés

Parmi les gyroscopes mécaniques, un gyroscope rotatif se distingue - un corps solide (rotor) à rotation rapide, dont l'axe de rotation peut changer librement d'orientation dans l'espace. Dans ce cas, la vitesse de rotation du gyroscope dépasse largement la vitesse de rotation de son axe de rotation. La propriété principale d'un tel gyroscope est la capacité de maintenir une direction constante de l'axe de rotation dans l'espace en l'absence d'influence de moments de forces externes sur celui-ci et de résister efficacement à l'action de moments de forces externes. Cette propriété est largement déterminée par la vitesse angulaire de rotation du gyroscope.

Lorsqu'il est exposé à un moment de force externe autour d'un axe perpendiculaire à l'axe de rotation du rotor, le gyroscope commence à tourner autour de l'axe de précession, qui est perpendiculaire au moment des forces externes.

Le comportement d’un gyroscope dans un référentiel inertiel est décrit, selon un corollaire de la deuxième loi de Newton, par l’équation

Où les vecteurs et sont respectivement le moment de force agissant sur le gyroscope et son moment cinétique.

Une modification du vecteur moment cinétique sous l'influence d'un moment de force est possible non seulement en ampleur, mais également en direction. En particulier, un moment de force appliqué perpendiculairement à l'axe de rotation du gyroscope, c'est-à-dire perpendiculaire, conduit à un mouvement perpendiculaire aux deux et, c'est-à-dire au phénomène de précession. La vitesse angulaire de précession d'un gyroscope est déterminée par son moment cinétique et le moment de la force appliquée.

Autrement dit, elle est inversement proportionnelle à la vitesse de rotation du gyroscope. Simultanément à l'apparition de la précession, selon le corollaire de la troisième loi de Newton, le gyroscope commencera à agir sur les corps environnants avec un moment de réaction égal en ampleur et en direction opposée au moment appliqué au gyroscope. Ce moment de réaction est appelé moment gyroscopique.

Le même mouvement du gyroscope peut être interprété différemment si nous utilisons un système de référence non inertiel associé au boîtier du rotor et y introduisons une force d'inertie fictive - la force dite de Coriolis. Ainsi, lorsqu’il est exposé à un moment de force externe, le gyroscope tournera initialement précisément dans la direction du moment externe (lancement de nutation). Chaque particule du gyroscope se déplacera ainsi avec une vitesse angulaire de rotation portable due à l'action de ce moment. Mais le rotor du gyroscope, en plus, tourne tout seul, donc chaque particule aura une vitesse relative. En conséquence, une force de Coriolis apparaît, ce qui provoque le déplacement du gyroscope dans une direction perpendiculaire au moment appliqué, c'est-à-dire une précession.

3. Nouveaux types de gyroscopes

Les exigences toujours croissantes en matière de précision et de performances des dispositifs gyroscopiques ont stimulé les scientifiques et les ingénieurs de nombreux pays du monde non seulement à améliorer encore les gyroscopes classiques à rotor rotatif, mais également à rechercher des idées fondamentalement nouvelles pour résoudre le problème. problème de la création de capteurs sensibles pour indiquer et mesurer les mouvements angulaires d'un objet dans l'espace.

Actuellement, on connaît plus d’une centaine de phénomènes et principes physiques différents permettant de résoudre des problèmes gyroscopiques. Plusieurs milliers de brevets et de certificats de droits d'auteur ont été délivrés pour des découvertes et des inventions pertinentes. Et même une liste superficielle d’entre eux est une tâche impossible. Par conséquent, nous nous concentrerons uniquement sur les domaines les plus intéressants, à l’aide desquels les résultats pratiques les plus significatifs ont été obtenus. Il convient de garder à l'esprit que le niveau de développement de la gyroscopie a eu un impact significatif sur la capacité de défense. Par conséquent, pendant la guerre froide, les gyroscopes ont été développés dans le plus strict secret et les informations sur les résultats obtenus ont été conservées sous scellés.

Gyroscopes à flotteur

Un gyroscope à flotteur (PG) est un gyroscope rotatif classique dans lequel, pour décharger les roulements de suspension, tous les éléments mobiles sont suspendus dans un liquide à densité élevée, de sorte que le poids du rotor et du boîtier soit équilibré par les forces hydrostatiques. . Grâce à cela, le frottement sec dans les axes de suspension est réduit de plusieurs ordres de grandeur et la résistance aux chocs et aux vibrations de l'appareil est augmentée. Le boîtier scellé, qui fait office de cadre interne du cardan, est appelé flotteur. La conception du flotteur doit être aussi symétrique que possible. Le rotor du gyroscope à l'intérieur du flotteur tourne sur un coussin d'air dans des roulements aérodynamiques à une vitesse d'environ 30 000 à 60 000 tours par minute. Un PG avec une friction de fluide visqueux élevé est également appelé gyroscope intégrateur.

Le PG reste à ce jour l’un des types de gyroscopes les plus courants et sera certainement largement utilisé dans les années à venir, car il repose sur des technologies bien développées et une base de production puissante. Mais les nouveaux développements dans le domaine des PG sont apparemment peu pratiques, car de nouvelles améliorations de la précision se heurtent à des obstacles insurmontables et ne sont probablement pas économiquement justifiées.

Gyroscopes réglables dynamiquement

Les gyroscopes dynamiquement accordables (DTG) appartiennent à la classe des gyroscopes à suspension élastique du rotor, dans lesquels la liberté de mouvements angulaires de l'axe de sa propre rotation est assurée grâce à la souplesse élastique des éléments structurels (par exemple, barres de torsion). Dans le DNG, contrairement au gyroscope classique, on utilise la suspension dite à cardan interne (Fig. 3), formée par un anneau intérieur 2, qui est fixé de l'intérieur par des barres de torsion 4 à l'arbre du moteur électrique. 5, et de l'extérieur par les barres de torsion 3 jusqu'au rotor 1. Le moment de frottement dans la suspension apparaît uniquement en raison du frottement interne dans le matériau des barres de torsion élastiques. Dans les gyroscopes à réglage dynamique, en sélectionnant les moments d'inertie des cadres de suspension et la vitesse angulaire de rotation du rotor, les moments élastiques de la suspension appliqués au rotor sont compensés. Les avantages du DNG incluent leur taille miniature, leur grande stabilité des lectures et leur coût relativement faible.

Gyroscopes laser annulaires

Un gyroscope laser en anneau (RLG), également appelé gyroscope quantique, est créé sur la base d'un laser doté d'un résonateur en anneau, dans lequel des ondes électromagnétiques contra-propagatives se propagent simultanément le long d'un circuit optique fermé. Les longueurs de ces ondes sont déterminées par les conditions de génération, selon lesquelles un nombre entier d'ondes doit s'adapter sur toute la longueur du périmètre du résonateur, donc, sur une base stationnaire, les fréquences de ces ondes coïncident. Lorsque le résonateur du gyroscope laser tourne, le chemin parcouru par les rayons le long du contour devient différent et les fréquences des ondes contra-propagatives deviennent inégales. Les fronts d’onde des faisceaux interfèrent les uns avec les autres, créant des franges d’interférence. La rotation du résonateur du gyroscope laser fait commencer à déplacer les franges d'interférence à une vitesse proportionnelle à la vitesse de rotation du gyroscope. L'intégration dans le temps du signal de sortie du gyroscope laser, proportionnel à la vitesse angulaire, permet de déterminer l'angle de rotation de l'objet sur lequel le gyroscope est installé. Les avantages des gyroscopes laser incluent tout d'abord l'absence de rotor en rotation et de roulements soumis aux forces de frottement.

Gyroscopes à fibre optique

Des réalisations importantes dans le développement et la production industrielle de guides de lumière avec une atténuation linéaire minimale et des composants optiques intégrés ont conduit au début des travaux sur un gyroscope à fibre optique (FOG), qui est un interféromètre à fibre optique dans lequel se propagent des ondes électromagnétiques contra-propagatives. La version la plus courante du FOG est une bobine de fibre optique multitours. Les précisions FOG obtenues dans les échantillons de laboratoire sont proches de la précision KLG. En raison de sa simplicité de conception, FOG est l'un des gyroscopes de moyenne portée les moins chers.

Gyroscopes à ondes solides (SWG)

Le fonctionnement d'un gyroscope à ondes solides (WSG) repose sur un principe physique consistant en les propriétés inertes des ondes élastiques dans un corps solide. Une onde élastique peut se propager dans un milieu continu comme un corps rigide sans changer de configuration. Une telle onde semblable à une particule est appelée soliton et est considérée comme une incarnation modèle du dualisme particule-onde : d'une part, c'est une onde, d'autre part, l'invariabilité de la configuration conduit à une analogie avec une particule. Cependant, cette analogie dans certains phénomènes va plus loin. Ainsi, si des ondes stationnaires de vibrations élastiques sont excitées dans un résonateur axisymétrique, alors la rotation de la base sur laquelle le résonateur est installé fait tourner l'onde stationnaire selon un angle plus petit mais connu. Le mouvement correspondant de la vague dans son ensemble est appelé précession. Le taux de précession d'une onde stationnaire est proportionnel à la projection de la vitesse angulaire de rotation de la base sur l'axe de symétrie du résonateur.

Le résonateur WTG est une fine coque élastique de rotation constituée de quartz fondu, de saphir ou d'un autre matériau avec un faible coefficient de perte de vibration. Généralement, la forme de la coque est un hémisphère avec un trou dans le pôle, c'est pourquoi le VTG est appelé dans la littérature un gyroscope à résonateur hémisphérique. Un bord du résonateur (au niveau du pôle) est fixé rigidement à la base (jambe). L’autre bord, appelé bord de travail, est libre. Des électrodes métalliques sont pulvérisées sur les surfaces extérieures et intérieures du résonateur, près du bord de travail, qui, avec les mêmes électrodes appliquées sur le boîtier entourant le résonateur, forment des condensateurs. Certains condensateurs servent à exercer une force sur le résonateur. Avec les circuits électroniques correspondants, ils forment un système permettant d'exciter les oscillations et de maintenir leur amplitude constante. Avec son aide, le soi-disant deuxième mode d'oscillation est établi dans le résonateur, dans lequel l'onde stationnaire présente quatre ventres tous les 90°. Le deuxième groupe de condensateurs sert de capteurs pour la position des ventres sur le résonateur. Un traitement approprié (très complexe) des signaux issus de ces capteurs permet d'obtenir des informations sur le mouvement de rotation de la base du résonateur.

Les avantages du VTG incluent un rapport précision/prix élevé, la capacité de résister à des surcharges importantes, une compacité et un faible poids, une faible consommation d'énergie, un temps de préparation court et une faible dépendance à la température ambiante.

Gyroscope vibrant

Les gyroscopes vibrants reposent sur la propriété d'un diapason, qui consiste dans la volonté de maintenir le plan de vibration de ses jambes. La théorie et l'expérience montrent qu'un moment de force périodique apparaît dans la jambe d'un diapason oscillant monté sur une plate-forme tournant autour de l'axe de symétrie du diapason, dont la fréquence est égale à la fréquence d'oscillation des jambes, et le l'amplitude est proportionnelle à la vitesse angulaire de rotation de la plateforme. Par conséquent, en mesurant l’amplitude de l’angle de torsion de la jambe du diapason, on peut juger de la vitesse angulaire de la plate-forme. Le brevet d'un gyroscope vibrant appartient à certaines espèces d'insectes diptères qui possèdent une paire d'appendices en forme de tige appelés licols, qui vibrent en vol avec un balancement allant jusqu'à 75 ? et une fréquence d'environ 500 Hz. Lorsque le corps tourne, les vibrations des licols se produisent dans un plan différent. Ces vibrations sont perçues par des cellules sensibles spéciales situées à la base des licols et envoient une commande pour aligner le corps de l'insecte. Le système est similaire à un pilote automatique, dans lequel les capteurs du mouvement rotatif sont remplacés par un mouvement oscillatoire, plus naturel et plus économique pour les systèmes biologiques.

Les premiers développeurs de gyroscopes vibrants ont prédit la mort imminente des gyroscopes classiques à rotor rotatif. Cependant, une analyse plus approfondie a montré que les gyroscopes vibrants refusent de fonctionner dans des conditions de vibration qui accompagnent presque toujours les sites d'installation d'appareils sur des objets en mouvement. Le problème de l'instabilité des lectures s'est également avéré insurmontable en raison des difficultés de mesure de haute précision de l'amplitude des vibrations des jambes. Par conséquent, l'idée d'un gyroscope à diapason pur n'a jamais été développée en un appareil de précision, mais elle a stimulé toute une série de recherches de nouveaux types de gyroscopes utilisant soit l'effet piézoélectrique, soit la vibration de liquides ou de gaz dans des tubes intelligemment incurvés. , etc.

Liste de la littérature utilisée

1.Kargau, L.I. Appareils de mesure pour avions [Texte] / L.I. Kargau. - M., 1988. - 256 p.

2. Siff, E.J. Introduction à la gyroscopie [Texte] / E.J.Siff. - M. : Nauka, 1965. - 124 p.

3. Wikipédia [Ressource électronique] / Encyclopédie gratuite. - 21/12/2014. - Mode d'accès. - URL : http://wikipedia.org.

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Aujourd'hui, j'ai parlé avec une personne et une fois de plus, je suis devenu convaincu que très peu de gens, surtout ceux qui ont une formation en sciences humaines, imaginent ce qu'est l'effet gyroscopique. Essayons de le comprendre.

Ainsi, la formulation : l'effet gyroscopique est la capacité d'un corps en rotation rapide à maintenir sa position dans l'espace dans le plan de sa rotation.
Un gyroscope est un corps rigide à rotation rapide capable de mesurer les changements dans les angles d'orientation du corps qui lui est associé par rapport à un système de coordonnées en mouvement. Nous n'entrerons pas dans les lois de conservation du moment cinétique. Imaginons ce que c'est.
Est-ce que tout le monde avait une toupie étant enfant ? Si vous le faites tourner en position debout, il ne veut pas tomber. C'est l'effet gyroscopique.
Combien de personnes ont fait du vélo ? Ou peut-être que vous roulez maintenant ? Une roue est un corps en rotation, un disque qui veut également vous maintenir, vous et le vélo sur lequel vous êtes assis, en position verticale. C'est pourquoi vous ne tombez pas lorsque vous roulez, et ce n'est pas grâce à votre excellent équilibre. Votre balance n'est activée qu'à des vitesses très faibles.
Vous êtes-vous déjà demandé comment un pilote d'avion détermine l'angle d'inclinaison par rapport à l'horizon ? Le même appareil est installé dans l'avion - un gyroscope. Il s'agit d'un ou plusieurs disques à rotation très rapide. Quelle que soit l’inclinaison de l’avion, les gyroscopes sont toujours dans la même position.

Comme vous pouvez le constater, l’effet gyroscopique est omniprésent autour de nous et nous en faisons l’expérience au quotidien. C'est dommage que beaucoup de gens vivent leur vie sans jamais remarquer de telles choses autour d'eux.

Une autre propriété très intéressante de l'effet gyroscopique est la résistance au changement de l'axe de sa rotation ou de la précession du gyroscope. Ce que c'est? Il s'agit de l'inclinaison du gyroscope dans un plan en retard de 90 degrés (ceux qui ont étudié l'électricité devraient connaître le courant d'avance et de retard dans les éléments réactifs à partir de la tension (pression électrique)) dans le sens de rotation, par rapport au plan d'application de la force ( oh, comment, j'ai écrit la définition moi-même). Exemple? Bien. Un cycliste roule tout droit. Ici, le cycliste veut tourner à gauche, tire le volant avec sa main gauche vers lui et avec sa main droite éloignée de lui. Le moyeu fait tourner l'axe de rotation de la roue avant... si à ce moment vous regardez le cycliste d'en haut, la roue ressemble à une ligne et doit simplement tourner dans le sens inverse des aiguilles d'une montre. Tout cela est vrai, mais le cycliste commence à tomber sur le côté gauche. Encore une fois, contrairement à la croyance populaire, ce n’est pas parce que vous voulez compenser la force de l’énergie qui va vous projeter vers la droite. C'est parce qu'une précession se produit. Et en plus, oui, vous compensez la force de l'énergie lors du virage. Si l’effet de précession était absent, ce serait alors un gros problème pour vous de tomber délibérément sur le côté gauche et vous tomberiez beaucoup plus souvent. De plus, vous voilà à nouveau sauvé de la chute grâce à l'effet gyroscopique, qui vous maintient incliné par rapport au plan de la route. Cool? Bien sûr! :)
De plus, une précession peut être observée sous la forme d'un mouvement de l'axe en spirale lorsque votre toupie commence à tomber sur le côté.
Si vous commencez à maintenir la précession, des contraintes assez fortes sont créées dans le yushi. Par conséquent, réfléchissez à la raison pour laquelle il est si difficile de tourner brusquement le volant lorsque vous faites du vélo à grande vitesse. Si dans un vélo cette contrainte est compensée par votre inclinaison, alors dans une voiture la roue ne s'incline pas... Imaginez quelles contraintes apparaissent sur le moyeu lorsque vous secouez brusquement le volant à une vitesse de 120 km/h ? Ouais... Si quelqu'un possède un PowerBall, vous pouvez le vérifier par vous-même lorsque votre main est fatiguée.
En plus de la précession, les gyroscopes ont des nutations - ce sont de petites oscillations superposées à la ligne de précession. Quiconque s'intéresse à l'astronomie et à notre (et pas seulement) planète comprendra que la Terre et le gyroscope ont beaucoup en commun. Il y a à la fois des précessions et des nutations... À cause de la précession, notre Polaris cessera bientôt d'être polaire. En raison des nutations, les coordonnées des étoiles dans le ciel dans le système de référence équatorial changent périodiquement... mais c'est une autre histoire. Nous en reparlerons une autre fois.

Je voulais trouver une vidéo sur Internet pour montrer de quoi il s’agissait, mais j’ai trouvé quelque chose de plus ou moins adapté uniquement en anglais. Si quelqu'un comprend, c'est super. Personnellement, tout est clair pour moi ; heureusement, il n'y a aucun problème avec l'anglais. :) Ceux qui ne comprennent pas, jetez au moins un oeil.

En général, il existe plusieurs types de gyroscopes. J'ai décrit un gyroscope rotatif ordinaire, mais le principe de fonctionnement de tous les gyroscopes reste le même.

À propos, lorsque j'ai créé le message, une inscription est apparue indiquant qu'un message du même nom avait déjà été créé. Je l'ai ouvert, j'ai regardé... et tu sais ce qu'il y a dedans ? Comment faire un wheelie sur une moto... De plus, le type de relation qui existe avec l'effet gyroscopique n'est pas clair dans le message.

Faites simplement plus attention à ce qui se passe autour de vous. :) La personne qui fait cela voit TOUT sur la route, contrôle la situation, et au final sera plus polie. L’amour des autres commence par l’amour des choses nouvelles.