Дефиниции на жироскопа, терминология
Горната класификация на жироскопичните устройства показва, че основният елемент на тези устройства е жироскопичен чувствителен елемент. Терминът "жироскоп" е въведен за първи път през 1852 г. от изключителния френски физик Л. Фуко (1819-1868). Според семантичното си съдържание то се състои от две гръцки думи: "gyros" - въртене и "skopein" - виждам, наблюдавам, т.е. "жироскоп" е индикатор за въртене [2]. С помощта на предложен от него демонстрационен модел на тристепенен жироскоп в карданно окачване, Л. Фуко се опитва да потвърди факта за въртенето на Земята.
В същото време, когато се използва думата "жироскоп" в ежедневната реч, в повечето случаи те означават тяло, което се върти с висока скорост около своята ос на симетрия [3]. Такова представяне, очевидно, съответства и на техническите жироскопи, но в механиката е установено различно определение на жироскопа. Тук, в общия случай, жироскопът се разбира като твърдо тяло с произволна форма, което извършва въртеливо движение [3].
В [5] думата "жироскоп" е преведена и на български като "наблюдател на въртене". Той е направен под формата на устройство с бързо въртящ се маховик и е предназначен за наблюдение на въртенето на Земята спрямо "неподвижни" звезди.
По този начин жироскопът в широкия смисъл на думата може да се счита за устройство, устройство или измервателна система, която ви позволява да наблюдавате и измервате въртенето в инерционното пространство на основата, върху която са инсталирани.
Функционално жироскопът се състои от ротор (чувствителен елемент), система за окачване и система за събиране на измерена информация.
Конструктивно роторът може да бъде направен под формата на въртящо се твърдо, течно или газообразно тяло. Освен това в момента се използватневъртящи се, така наречените лазерни (оптични) жироскопи, базирани на оптични квантови генератори.
Като се има предвид, че съществуващите жироскопични инструменти, инсталирани на кораби, използват чувствителни елементи, съдържащи въртящ се ротор, приложената дефиниция на термина "жироскоп" може да се формулира по следния начин: жироскопът е динамично симетрично бързо въртящо се твърдо тяло, окачено по такъв начин, че неговата главна ос запазва посоката, дадена му в инерционното пространство, непроменена.
В съответствие с горното определение, физическият модел на жироскоп може да има формата, показана на фиг. 1.1. Тук се приема следната нотация:
О- точка на окачване на ротора на жироскопа, т.е. тази единствена точка, която не участва във всички въртеливи движения на ротора;x- главната ос на жироскопа, т.е. оста, спрямо която роторът прави най-голямо въртене;
y, z- екваториални оси, т.е. тези оси, които лежат в равнината на въртене на ротора и са перпендикулярни една на друга и на главната ос;
Ω- ъглова скорост на собственото въртене на ротора.
Ъгловата скоростΩе една от важните динамични характеристики на жироскопа. Той е равен на стойността на ъгъла (ψ), на който всяка точка от тялото на ротора се завърта за единица времеt. С казаното, стойността му може да бъде изразена катоΩ=dψ/dt. Този вектор винаги е разположен по протежение на оста на въртене и е насочен в посоката, от която се вижда въртенето обратно на часовниковата стрелка.
 |
СтойносттаΩсе определя от броя радиани в секунда или обороти в минута. Тази зависимост има следната връзка:
или,
къдетоΩ- ъглова скорост, rad/s;
n -ъглова скорост, об/мин.
В зависимост от конструкцията на жироскопа има няколко разновидности на техническото му решение.
Астатичен жироскоп или балансиран жироскоп е жироскоп, чийто център на масата съвпада с точката на окачване. Теоретично има дефиниция на астатичен жироскоп, но на практика такъв жироскоп не може да бъде създаден, тъй като поради несъвършенството на технологията на производство на ротора, системата за окачване и при промени в температурата на околната среда, центърът на масата на ротора няма да съвпадне с неговата точка на окачване.
Тежкият жироскоп е жироскоп, при който центърът на масата на ротора не съвпада с точката му на окачване.
Свободният жироскоп е жироскоп, който не се влияе от моментите на външни сили, т.е. това е астатичен жироскоп, при който моментите на триене по осите на окачванеx, y, zса равни на нула. Такъв жироскоп може да съществува само теоретично.
Съществуват и такива понятия като диференциращ жироскоп, интегриращ жироскоп, при който изходната информация е пропорционална на производната или интеграла на измерената стойност.
От горните дефиниции е лесно да се види, че степента на съвършенство на жироскопите и, като следствие, точността на показанията на жироскопичните устройства до голяма степен зависят от качеството на ротора и неговата система за окачване.
Карданното окачване на ротора на жироскопа, показано на фиг. 1.1, поради несъвършенството на технологията на производство на лагери по осите на окачването, води до забележим ефект на моментите на триене върху измервателното устройство. Наистина, при произволно движение на основата, върху която е монтиран жироскопът, ще се приложи смущаващ момент към ротора на жироскопа чрез триене по осите на окачването. Под въздействието на товамомент, главната ос на ротора на жироскопа произволно променя позицията си спрямо първоначално дадената й посока в пространството. Следователно задачата за намаляване на ефекта на триене в окачването на ротора на жироскопа е от основно значение при създаването на прецизни (високоточни) жироскопични устройства. Така в жирокомпаса тип "Курс" се използва хидростатично окачване на чувствителния елемент, а в индикатора на курса тип "Вега" се използва течно-торсионно окачване. Има и окачвания: аеродинамични, електростатични, хидродинамични, електромагнитни, криогенни и др. Напоследък широко се използват и така наречените еластични въртящи се окачвания.
Свойства на жироскопа
Определящата характеристика, характеризираща основните свойства на жироскопа, е броят на степените на свобода на неговия ротор.