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陀螺儀你玩過沒有？這個堪稱神奇的玩意兒就像變魔術(shù)一樣，只要中心保持高速旋轉(zhuǎn)它就是不倒翁，給它一個支點不但可以傾斜著旋轉(zhuǎn)，還能站在一根細(xì)線上甚至筆尖上旋轉(zhuǎn)，給我都能玩一整天。 我們通常說的和玩的陀螺儀，就是一個簡單的機械裝置，里面由一個陀螺轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)軸相連，外圍是由兩個支架組成。 陀螺儀是用高速回轉(zhuǎn)體的動量慣性沿一個或兩個軸運動裝置，其主要特點是穩(wěn)定性和定軸性，小小的陀螺儀無處不在，不可或缺，在手機，VR眼鏡，體感游戲，飛機平衡等產(chǎn)品上都有使用，陀螺儀也被稱為平衡神器。 在中國古代有一種有趣的取暖器具叫被中香爐，這個香爐的神奇之處是將取暖的炭火放入中心，無論外面的球如何轉(zhuǎn)動，在重力作用下中間的炭火盆會始終保持水平不倒，萬向支架的作用就是，為了保證里面物體的平衡狀態(tài)不被干擾，這跟陀螺儀的結(jié)構(gòu)是一樣的。 古代還出現(xiàn)了另一種玩具叫竹片蜻蜓，這種玩具也被叫陀螺，“陀螺”這個術(shù)語最早是由法國物理學(xué)家博科提出的，在英語中它是沿軸“回轉(zhuǎn)體”的意思，所以竹片蜻蜓這種在空中沿軸轉(zhuǎn)的回轉(zhuǎn)體也是一種陀螺，這樣看來，雜技中的轉(zhuǎn)碟，耍盤子，還有地球等，都可以叫做陀螺。 陀螺儀的中間部份就是我們熟悉的陀螺，弄清楚了陀螺掌握平衡的原因，是否就掌握了陀螺儀平衡的秘密呢？ 中國是陀螺的故鄉(xiāng)，它是我國民間最古老的玩具之一，吸引了一代又一代人，傳統(tǒng)的陀螺是用木制的倒圓錐形，繩子纏繞陀螺，用力拉繩使其旋轉(zhuǎn)，用繩抽打讓其持續(xù)旋轉(zhuǎn)，陀螺的玩法五花八門，有畫圈圈，持久旋轉(zhuǎn)，擲遠比賽等，游戲規(guī)則也根據(jù)不同玩法而不同。 近年來在年輕人中間流行一種陀螺的新玩法，這種指尖陀螺正在悄悄的流行起來，它與傳統(tǒng)陀螺很相似，只需要幾根手指就能讓其旋轉(zhuǎn)。 人們一直在尋找永恒旋轉(zhuǎn)，平衡不倒陀螺的這種極致境界，雖然這種平衡很難達到，但現(xiàn)實生活中，讓陀螺在較長時間內(nèi)保持平衡不倒也是可以做到的。 我們在玩陀螺時纏繞陀螺的線要繞在陀螺的重心上，陀螺的重心在距上平面三分之二的位置，如果沒有纏繞在這個位置，陀螺受到的拉力與繩子纏繞的方向上下擺動，使轉(zhuǎn)軸不斷的發(fā)生偏轉(zhuǎn)，大量的力量就在這偏轉(zhuǎn)的過程中分散流失了，使得陀螺很難圍繞一個穩(wěn)定的軸旋轉(zhuǎn)，就很難轉(zhuǎn)起來。 如果纏繞在陀螺的重心上，這樣就可以把力量全部傳遞給重心，保持高速地旋轉(zhuǎn)，陀螺上的每一個點與轉(zhuǎn)軸對稱的點都同時承載著相等的離心作用，再由于中心的位置位于轉(zhuǎn)軸上，能最大限度的減少旋轉(zhuǎn)過程中重心對轉(zhuǎn)軸的偏轉(zhuǎn)影響，極大的增加旋轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性，就能保持陀螺垂直于地面持久不倒。 要想陀螺儀不倒就要讓它高速旋轉(zhuǎn)，陀螺儀的這個轉(zhuǎn)速一般在每分鐘上萬次，這個轉(zhuǎn)速必須夠快，旋轉(zhuǎn)軸會一直穩(wěn)定指向一個方向，外圍支架無論怎么旋轉(zhuǎn)，里面的陀螺能夠依然保持原有的指向性不變。 其實陀螺儀就是高速旋轉(zhuǎn)的陀螺，與靈活轉(zhuǎn)動抗干擾的萬向支架，就組成了晃動空間里動態(tài)狀態(tài)中能指示方向的陀螺儀。 陀螺儀發(fā)明后首先應(yīng)用在飛機上，后來又被用在導(dǎo)彈上，采用陀螺儀確定方向和角度，就可計算出飛行路線，從而進行姿態(tài)控制。 你是不是覺得，手機陀螺儀就是把機械陀螺儀縮小了裝在手機主板上的，其實我也是這么想的，但永遠不要低估科技的力量，現(xiàn)在都發(fā)展到有激光陀螺儀，光纖陀螺儀，以及微機電陀螺儀，，雖然還叫陀螺儀，但其原理跟機械陀螺儀完全不一樣， 激光陀螺儀的原理是利用光程差來測量旋轉(zhuǎn)角速度，在閉合光路中，由同一光源發(fā)出的沿順時針方向和反時針方向傳輸?shù)膬墒夂凸飧缮妫脵z測相位差或干涉條紋的變化，就可以測出閉合光路旋轉(zhuǎn)角速度。主要用于航空，航天，國防等高端領(lǐng)域。 光纖陀螺儀的原理是利用光程的變化檢測出兩條光路的相位差，就可以測出光路旋轉(zhuǎn)角速度，主要用于航空，航海，航天和國防工業(yè)和農(nóng)業(yè)領(lǐng)域。 微機電陀螺儀MEMS一般會用在手機等電子產(chǎn)品上，通常有兩個方向的可移動電容板，徑向的電容板加震蕩電壓迫使物體做徑向運動，橫向的電容板測量由于橫向運動帶來的電容變化，所以由電容的變化可以計算出角速度。 所以手機陀螺儀又叫角速度傳感器，主要是測量物理量是偏轉(zhuǎn)、傾斜時的轉(zhuǎn)動角速度。 傳統(tǒng)的慣性陀螺儀都是機械式的，它的精度不是很高，隨著技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在更多的是利用芯片來實現(xiàn)陀螺儀的功能，一般用在航空航天，手機，導(dǎo)航等高精度，高靈敏度的領(lǐng)域，其結(jié)果也更加復(fù)雜。 現(xiàn)在的陀螺儀應(yīng)用好像高大上，但在我們生活中處處可見，自行車上的輪子沿著中心軸運動，這就成了一個陀螺儀，所以只要輪子轉(zhuǎn)動騎車人就不會倒下，動物界中也存在陀螺儀，見下圖，看來陀螺儀也不光是人類的專有的。
所以，陀螺儀不僅僅是用在手機里那么簡單，大到航海，航空和航天，導(dǎo)彈、衛(wèi)星運載器，國防等領(lǐng)域，并且地面設(shè)施、礦山隧道、地下鐵路、石油鉆探都離不開它。在生活中汽車導(dǎo)行，手機，環(huán)境監(jiān)控等領(lǐng)域都需要陀螺儀的參與。 |
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