陀螺儀原理應用實例

隧道中心線測量

在隧道等挖掘工程中，坑內(nèi)的中心線測量一般 采用難以保證精度的長距離導線。特別是進行盾構(gòu)挖掘(shield tunnel)的情況，從立坑的短基準中心線出發(fā)必須有很高的測角精度和移站精度，測量中還要經(jīng)常進行地面和地下的對應檢查，以確保測量的精度。特別是在密集的城市地區(qū)，不可能進行過多的檢測作業(yè)而遇到困難。如果使用陀螺經(jīng)緯儀可以得到絕對高精度的方位基準，而且可減少耗費很高的檢測作業(yè)(檢查點最少)，是一種效率很高的中心線測量方法。

通視障礙時的方向角獲取

當有通視障礙，不能從已知點取得方向角時，可以采用天文測量或陀螺經(jīng)緯儀測量的方法獲取方向角(根據(jù)建設省測量規(guī)范)。與天文測量比較，陀螺經(jīng)緯儀測量的方法有很多優(yōu)越性:對天氣的依賴少、云的多少無關、無須復雜的天文計算、在現(xiàn)場可以得到任意測線的方向角而容易計算閉合差。

日影計算所需的真北測定

在城市或近郊地區(qū)對高層建筑有日照或日影條件的高度限制。在建筑申請時，要附加日影圖。此日影圖是指，在冬至的真太陽時的8點到16點為基準，進行為了計算、圖面繪制所需要的高精度真北方向測定。使用陀螺經(jīng)緯儀測量可以獲得不受天氣、時間影響的真北測量。

〖論述解釋〗陀螺儀，是一個圓形的中軸的結(jié)合體。

而事實上，靜止與運動的陀螺儀本身并無區(qū)別，如果靜止的陀螺儀本身絕對平衡的話，拋出外在因數(shù)陀螺儀是可以不依靠旋轉(zhuǎn)便能立定的。

而如果陀螺儀本身尺寸不平衡的話，在靜止下就會造成陀螺儀模型傾斜跌倒，因此不均衡的陀螺儀必然依靠旋轉(zhuǎn)來維持平衡。

陀螺儀本身與引力有關，因為引力的影響，不均衡的陀螺儀，重的一端將向下運行，而輕的一端向上。

在引力場中，重物下降的速度是需要時間的，物體墜落的速度遠遠慢于陀螺儀本身旋轉(zhuǎn)的速度時，將導致陀螺儀偏重點，在旋轉(zhuǎn)中不斷的改變陀螺儀自身的平衡，并形成一個向上旋轉(zhuǎn)的速度方向。

當然，如果陀螺儀偏重點太大，陀螺儀自身的左右互作用力也將失效!。

而在旋轉(zhuǎn)中，陀螺儀如果遇到外力導致，陀螺儀轉(zhuǎn)輪某點受力。陀螺儀會立刻傾斜，而陀螺儀受力點的勢能如果低于陀螺儀旋轉(zhuǎn)時速，這時受力點，會因為陀螺儀傾斜，在旋轉(zhuǎn)的推動下，陀螺儀受力點將從斜下角，滑向斜上角。而在向斜上角運行時，陀螺儀受力點的勢能還在向下運行。這就導致陀螺儀到達斜上角時，受力點的剩余勢能將會將在位于斜上角時，勢能向下推動。

而與受力點相反的直徑另一端，同樣具備了相應的勢能，這個勢能與受力點運動方向相反，受力點向下，而它向上，且管這個點叫"聯(lián)動受力點"。

當聯(lián)動受力點旋轉(zhuǎn)180度，從斜上角到達斜下角，這時聯(lián)動受力點，將陀螺儀向上拉動。

在受力點與聯(lián)動受力互作用力下，陀螺儀回歸平衡。

〖專業(yè)解釋〗我們不用一個完整的輪框，我們用四個質(zhì)點ABCD來表示邊上的區(qū)域，這個邊對于用圖來解釋陀螺儀的工作原理是很重要的。軸的底部被托住靜止但是能夠各個方向旋轉(zhuǎn)。當一個傾斜力作用在頂部的軸上的時候，質(zhì)點A向上運動，質(zhì)點C則向下運動，如其中的子圖1。因為陀螺儀是順時針旋轉(zhuǎn)，在旋轉(zhuǎn)90度角之后，質(zhì)點A將會到達質(zhì)點B的位置。CD兩個質(zhì)點的情況也是一樣的。子圖2中質(zhì)點A當處于如圖的90度位置的時候會繼續(xù)向上運動，質(zhì)點C也繼續(xù)向下。AC質(zhì)點的組合將導致軸在子圖2所示的運動平面內(nèi)運動。一個陀螺儀的軸在一個合適的角度上旋轉(zhuǎn)，在這種情況下，如果陀螺儀逆時針旋轉(zhuǎn)，軸將會在運動平面上向左運動。如果在順時針的情況中，傾斜力是一個推力而不是拉力的話，運動將會向左發(fā)生。在子圖3中，當陀螺儀旋轉(zhuǎn)了另一個90度的時候，質(zhì)點C在質(zhì)點A受力之前的位置。C質(zhì)點的向下運動受到了傾斜力的阻礙并且軸不能在傾斜力平面上運動。傾斜力推軸的力量越大，當邊緣旋轉(zhuǎn)大約180度時，另一側(cè)的邊緣推動軸向回運動。

萬向節(jié)陀螺儀

實際上，軸在這個情況下將會在傾斜力的平面上旋轉(zhuǎn)。軸之所以會旋轉(zhuǎn)是因為質(zhì)點AC在向上和向下運動的一些能量用盡導致軸在運動平面內(nèi)運動。當質(zhì)點AC最后旋轉(zhuǎn)到大致上相反的位置上時，傾斜力比向上和向下的阻礙運動的力要大。 陀螺儀運動的特性是它拐彎的時候能夠保持單軌設備的直上直下。比如說，有必要的話，消防汽缸壓在一個很重的陀螺儀的軸上，就能保持其穩(wěn)定。陀螺儀和萬向節(jié)結(jié)合起來組成的萬向節(jié)陀螺儀則是實際中最經(jīng)常應用的。

各模上的陀螺儀

從上面我們可以看到，陀螺儀的關鍵是軸的不變性。這樣的特性，看起來雖然簡單，但能使用在許多不同的應用上。制導武器就是陀螺儀的最關鍵應用之一。在慣性制導中，陀螺儀是控制武器飛行姿態(tài)的重要部件，在劇烈變化的環(huán)境中，沒有精心設計的陀螺儀用來保證穩(wěn)定性和準確性，再好的控制規(guī)律也無法命中目標。除了制導之外，陀螺儀還能夠應用在其他的尖端的科技上。比如說，著名的哈勃天文望遠鏡的3個遙感裝置中每個都裝有一個陀螺儀和一個備份。3個工作的陀螺儀是保證望遠鏡指向所必不可少的。

陀螺儀正是因為它的平衡的特性，已經(jīng)成為了飛行設備中關鍵的部件，從航模、制導武器、導彈、衛(wèi)星、天文望遠鏡，無處沒有它的身影，陀螺儀默默的工作保證了這些飛行設備能按照指定的方式去工作。

高速旋轉(zhuǎn)的物體的旋轉(zhuǎn)軸，對于改變其方向的外力作用有趨向于垂直方向的傾向。而且，旋轉(zhuǎn)物體在橫向傾斜時，重力會向增加傾斜的方向作用，而軸則向垂直方向運動，就產(chǎn)生了搖頭的運動(歲差運動)。當陀螺經(jīng)緯儀的陀螺旋轉(zhuǎn)軸以水平軸旋轉(zhuǎn)時，由于地球的旋轉(zhuǎn)而受到鉛直方向旋轉(zhuǎn)力，陀螺的旋轉(zhuǎn)體向水平面內(nèi)的子午線方向產(chǎn)生歲差運動。當軸平行于子午線而靜止時可加以應用。

陀螺儀基本上就是運用物體高速旋轉(zhuǎn)時，角動量很大，旋轉(zhuǎn)軸會一直穩(wěn)定指向一個方向的性質(zhì)，所制造出來的定向儀器。不過它必需轉(zhuǎn)得夠快，或者慣量夠大(也可以說是角動量要夠大)。不然，只要一個很小的力矩，就會嚴重影響到它的穩(wěn)定性。