Гіроск про п (від гіро ... і ... скоп ), Швидко обертається тверде тіло, вісь обертання якого може змінювати свій напрям в просторі. Г. має низку цікавих властивостей, які спостерігаються у обертових небесних тіл, у артилерійських снарядів, у дитячої дзиги, у роторів турбін, встановлених на судах, і ін. На властивостях Р. засновані різноманітні пристрої або прилади, широко застосовуються в сучасній техніці для автоматичного управління рухом літаків, морських суден, ракет, торпед і ін. об'єктів, для визначення горизонту або географічного меридіана, для виміру поступальних або кутових швидкостей рухомих об'єктів (наприклад, ракет) і багато ін.
Властивості Г. проявляються при виконанні двох умов: 1) вісь обертання Р. повинна мати можливість змінювати свій напрям в просторі; 2) кутова швидкість обертання Р. довкола своєї осі повинна бути дуже велика в порівнянні з тією кутовою швидкістю, яку буде мати сама вісь при зміні свого напрямку.
Найпростішим Г. є дитячий дзига, що швидко обертається навколо своєї осі ОА (рис. 1); вісь ОА може змінювати своє положення в просторі, оскільки її кінець А не закріплений. У Г., застосовуваних у техніці, вільний поворот осі Р. можна забезпечити, закріпивши се в рамках (кільцях) 1, 2 т. Н. карданова підвісу (рис. 2), що дозволяє осі АВ зайняти будь-яке положення в просторі. Такий Г. має 3 ступеня свободи: він може здійснювати 3 незалежних повороту навколо осей АВ, DE і GK, пересічних в центрі підвісу О, який залишається по відношенню до основи 3 нерухомим. Якщо центр ваги Г. збігається з центром О, то Г. називається астатическим (врівноваженим), в іншому випадку - важким.
Перше властивість урівноваженого Р. з трьома ступенями свободи полягає в тому, що його вісь прагне стійко зберігати в світовому просторі придане їй початковий напрямок. Якщо ця вісь спочатку направлена на якусь зірку, то при будь-яких переміщеннях підстави приладу і випадкових поштовхах вона продовжуватиме вказувати на цю зірку, міняючи своє орієнтування щодо земних осей. Вперше це властивість Р. використовував французький учений Л. Фуко для експериментального докази обертання Землі навколо її осі (1852). Звідси і сама назва «Г.», що в перекладі означає «спостерігати обертання».
Друга властивість Р. виявляється, коли на його вісь (або рамку) починають діяти сила або пара сил, які прагнуть привести вісь в рух (т. Е. Що створюють крутний момент відносно центру підвісу). Під дією сили Р (рис. 3) кінець А осі АВ Г. буде відхиляти не в сторону дії сили, як це було б при необертальному роторі, а в напрямку, перпендикулярному до цієї сили; в результаті Г. разом з рамкою 1 почне обертатися навколо осі DE, притому не прискорено, а з постійною кутовою швидкістю. Це обертання називається прецесією; воно відбувається тим повільніше, чим швидше обертається навколо своєї осі АВ сам Г. Якщо в якийсь момент часу дія сили припиниться, то одночасно припиниться прецесія і вісь АВ миттєво зупиниться, т. е. процесійний рух Г. безінерційний.
Величина кутової швидкості прецесії визначається за формулою:
де М - момент сили Р центру О, a = á АОЄ, W - кутова швидкість власного обертання Р. довкола осі АВ, I - момент інерції Р. відносно тієї ж осі, h = АТ - відстань від точки прикладання сили до центру підвісу Г .; друга рівність має місце, коли сила Р паралельна осі DE. З формули (1) безпосередньо видно, що прецесія відбувається тим повільніше, чим більше W, точніше, чим більше величина H = IW, називається власним кінетичним моментом Г. Як визначити напрям прецесії Г. см. Рис. 4.
Поряд з прецессией вісь Г. при дії на неї сили може ще здійснювати т. Н. нутацію - невеликі, але швидкі (зазвичай непомітні на око) коливання осі біля її середнього напряму. Розмахи цих коливань у швидко обертового Г. дуже малі і через неминуче наявності опорів швидко затухають. Це дозволяє при вирішенні більшості технічних завдань знехтувати нутацією і побудувати т. Н. елементарну теорію Г., що враховує тільки прецесію, швидкість якої визначається формулою (1). Процесійний рух можна спостерігати у дитячої дзиги (рис. 5, а), для якого роль центру підвісу грає точка опори О. Якщо вісь такого дзиги поставити під кутом АОЄ до вертикалі і відпустити, то вона під дією сили тяжіння Р буде відхилятися не в сторону дії цієї сили, т. е. не вниз, а в перпендикулярному напрямку, і починає прецессировать навколо вертикалі. Прецессия дзиги також супроводжується непомітними на око нутационнимі коливаннями, швидко затухаючими через опір повітря. Під дією тертя об повітря власне обертання дзиги поступово сповільнюється, а швидкість прецесії w відповідно зростає. Коли кутова швидкість обертання дзиги стає менше певної величини, він втрачає стійкість і падає. У повільно обертається дзиги нутаціонние коливання можуть бути досить помітними і, складаючись з прецессией, істотно змінити картину руху осі дзиги: кінець А осі описуватиме ясно видиму хвилеподібну або петлеподібну криву, то відхиляючись від вертикалі, то наближаючись до неї (рис. 5, б ).
Інший приклад прецесійного руху дає артилерійський снаряд (або куля). На снаряд при його русі, крім сили тяжіння, діють сили опору повітря, рівнодіюча R яких направлена приблизно протилежно швидкості центру тяжіння снаряда і прикладена вище центру ваги (рис. 6, а). Невращающейся снаряд під дією сили опору повітря буде «перекидатися» і його політ стане безладним (рис. 6, б); при цьому значно зросте опір руху, зменшиться дальність польоту і снаряд не потрапити в ціль головною частиною. Обертається же снаряд має всі властивості Г., і сила опору повітря викликає відхилення його осі не в сторону дії цієї сили, а в перпендикулярному напрямку. В результаті вісь снаряда повільно прецессирует навколо прямої, по якій направлена швидкість vc, т. Е. Навколо дотичній до траєкторії центра ваги снаряда (рис. 6, в), що робить політ правильним і забезпечує на низхідній гілці траєкторії попадання снаряда в ціль головною частиною .
Наша планета Земля також є гігантським Г., яка вчиняє прецесію (докладніше див. прецессия в астрономії).
Якщо вісь АВ ротора Р. закріпити в одній рамці, яка може обертатися по відношенню до основи приладу навколо осі DE (рис. 7), то Г. матиме можливість брати участь тільки в двох вирощених - навколо осей АВ і DE, т. Е. матиме два ступені свободи. Такий Р. не володіє жодним з властивостей Р. з трьома ступенями свободи, однак у нього є інше дуже цікава властивість: якщо підстави Г. повідомити вимушене обертання з кутовою швидкістю w навколо осі KL, що утворює кут a з віссю АВ, то на вісь ротора з боку підшипників А і В почне діяти пара сил з гіроскопічним моментом
М гир = I Ww sin a. (2)
Ця пара прагне найкоротшим шляхом встановити вісь ротора Г. паралельно осі KL, причому так, щоб і обертання ротора, і вимушене обертання було видно що відбуваються в одну і ту ж сторону.
Розглянемо, нарешті, ротор, вісь АВ якого безпосередньо закріплена в підставі D (рис. 8). Якщо це підстава нерухомо, то вісь не може змінювати свій напрям в просторі і, отже, ротор жодними властивостями Р. не володіє. Однак якщо обертати підставу довкола деякої осі KL з кутовою швидкістю w, то за попереднім правилом вісь АВ прагнутиме встановитися паралельно осі KL. Цьому руху перешкоджають підшипники, в яких закріплена вісь. В результаті ротор буде тиснути на підшипники А і В з силами F 1 та F 2, званими гіроскопічними силами.
На морських судах і гвинтових літаках є багато обертових частин: вал двигуна, ротор турбіни або динамомашини, гребні або повітряні гвинти і т.п. При розворотах літака або судна, а також при хитавиці на підшипники, в яких укріплені ці обертові частини, діють зазначені гіроскопічні сили і їх необхідно враховувати при відповідних інженерних розрахунках; величини цих сил можуть досягати декількох тонн, і, якщо кріплення підшипників не будуть належним чином розраховані, то станеться аварія.
Теорія Г. є найважливішим розділом динаміки твердого тіла, яке має нерухому точку. Перераховані властивості Г. являють собою наслідки законів, яким підкоряється рух такого тіла. Перше з властивостей Р. з трьома ступенями свободи є прояв закону збереження кінетичного моменту, а друга властивість - прояв однієї з теорем динаміки, згідно з якою зміна в часі кінетичного моменту тіла дорівнює моменту діючої на нього сили.
Гіроскопи в техніці. Застосовувані в техніці Р. виконують зазвичай у вигляді маховичка з потовщеним ободом, вагою від декількох Г до десятків кГ, закріпленого в кардановом підвісі. Щоб повідомити Г. швидке обертання, його роблять ротором швидкохідного електромотора постійного або змінного струму. В авіації застосовуються Р. з ротором у вигляді повітряної турбіни, що приводиться в рух струменем повітря. Іноді Г. виконують у формі кулі (куля-Г.) З підвісом на повітряній плівці, утвореною подачею стисненого повітря. У ряді конструкцій застосовують поплавковий Г., ротор якого укладений в кожух, плаваючий в рідині; цим розвантажуються підшипники кожуха і значно зменшується момент тертя в них.
Пристрій конкретних гіроскопічних приладів грунтується на ті чи інші властивості Г. з трьома або двома ступенями свободи. Властивість Г. з трьома ступенями свободи незмінно зберігати напрям своєї осі в просторі використовується при конструюванні приладів для автоматичного керування рухом літаків (наприклад, автопілота ), Ракет, морських суден, торпед і т.п. Г. в цих приладах грає роль чутливого елемента, що реєструє відхилення рухомого об'єкту від заданого курсу. Одночасно прилад містить систему, що стежить, що уловлює сигнал про відхилення, посилює його і передавальну силовому пристрою (мотору), яке і повертає об'єкт на заданий курс, зазвичай за допомогою рулів. Друга властивість Р. з трьома ступенями свободи - властивість прецессировать під дією прикладеної сили - покладено в основу Р. напряму (курсового Г.) і важливих навігаційних приладів: гірокомпас - приладу, що визначає напрямок географічного меридіана, і гіровертикалі (або гірогорізонта) - приладу, що визначає напрямок істинної вертикалі (горизонту).
При запуску ракети необхідно з високим ступенем точності знати швидкість її вертикального зльоту. З цієї, здавалося б, дуже важким завданням, теж легко справляється прецессирует Г.
В гіроскопічних приладах часто використовують і властивості Р. з двома ступенями свободи. До таких приладів відносяться авіаційний покажчик повороту , А також деякі види гіростабілізаторів , Зокрема пристрої для просторової стабілізації об'єкта (наприклад, штучного супутника Землі). Детальніше про всі ці та ін. Пристроях см. гіроскопічні пристрої .
Сучасна техніка вимагає від багатьох гіроскопічних приладів дуже високої точності, що викликає великі технологічні труднощі при їх виготовленні. Наприклад, у деяких приладів при вазі ротора порядка 1 кг для забезпечення потрібної точності зсув центру ваги від центру підвісу не повинно перевищувати доль мікрона, інакше момент сили тяжіння викличе небажану прецесію (догляд) осі Г. Крім того, на точність показань приладів з Г. в кардановом підвісі впливає тертя в осях. Все це призвело до розробки Г., заснованих не так на суто механічних, а на інших фізичних принципах (див. Також квантовий гіроскоп , вібраційний гіроскоп ).
Літ .: Микола Е. Л., Гіроскоп і деякі його технічні застосування, М. - Л., 1947 (популярний виклад); Граммель Р., Гіроскоп, його теорія і застосування, пров. з нім., т. 1-2, М., 1952; Булгаков Б. В., Прикладна теорія гіроскопів, 2 вид., М., 1955; Ішлінський А. Ю., Механіка гіроскопічних систем, М., 1963.
С. М. Тарг.
Мал. 8. Дія гіроскопічних сил на підшипники, що закріплюють вісь, при повороті підстави приладу довкола осі KL.
Мал. 6. а - прецесія артилерійського снаряда; б і в - схеми руху снарядів і їх траєкторії відповідно; б - для невращающейся снаряда; в - для обертового.
Мал. 4. Правило визначення напряму прецесії: дивлячись на ротор з точки прикладання сили Р, треба встановити, як обертається ротор - по ходу або проти ходу годинникової стрілки. Після цього подумки повернути вектор АР навколо осі АВ на 90 ° в ту ж сторону (т. Е. По ходу або проти годинникової стрілки відповідно); тоді він і вкаже напрямок прецесії (тут - AD).
Мал. 5. а - прецесія дзиги під дією сили тяжіння; б - рух осі дзиги при повільному власному обертанні.
Мал. 7. Гироскоп з двома ступенями свободи.
Мал. 1. Дзига; ОА - його вісь, Р - сила тяжіння.
Мал. 3. Дія сили Р на гіроскоп з обертовим ротором; вісь АВ рухається перпендикулярно напрямку Р.
Мал. 2. Гироскоп в кардановом підвісі. Ротор С, крім обертання навколо своєї осі АВ, може разом з рамкою 1 повертатися навколо осі DE і разом з рамкою 2 - навколо осі GK; отже, вісь ротора може зайняти будь-яке положення в просторі. Про - центр підвісу, що співпадає з центром ваги гіроскопа.