陀螺儀原理

2022-11-17 11:24:04 字數 811 閱讀 9555

操作中你會發現:當你站在轉盤上,手中的車輪快速轉動時,若用力使輪軸傾斜,轉盤也會因此轉動。這是因為你在施力改變車輪的轉動方向時,車輪的轉動慣量對你也做了反作用力而使得轉盤開始旋轉,這也是一種角動量守恆的現象。

當有質量的物體旋轉時就會產生角動量,它跟質量大小、轉速、旋轉方向,還有物質的分布都有關係。在慣量不變的前提下,旋轉的物體有維持原有轉動快慢及轉軸方向(或者說角速度)的趨勢。

通常我們會以右手手指來表示旋轉方向跟角動量方向的關係。當我們豎起大拇指做出乙個「頂好」的手勢時,手掌四指指尖的方向即代表旋轉的方向,拇指的方向則代表角動量的方向(如圖1)。

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

就像前面第四頁的活動中,我們可以輕易的改變旋轉中車輪轉軸的方向一樣。所以設定在飛機、飛彈中的陀螺儀是靠內部所提供的動力,使其保持高速轉動。

陀螺儀通常裝置在除了要定出東西南北方向,還要能判斷上方跟下方的交通工具或載具上,像是飛機、飛船、飛彈、人造衛星、潛艇......等等。它是航空、航海及太空導航系統中判斷方位的主要依據。

這是因為在高速旋轉下,陀螺儀的轉軸穩定的指向固定方向,將此方向與飛行器的軸心比對後,就可以精確得到飛機的正確方向。羅盤不能取代陀螺儀,因為羅盤只能確定平面的方向;另方面陀螺儀也比傳統羅盤方便可靠,因為傳統羅盤是利用地球磁場定向,所以會受到礦物分布干擾,例如受到飛機的機身或船身含鐵物質的影響;另方面在兩極也會因為地理北極跟地磁北極的不同而出現很大偏差,所以目前航空、航海都已經以陀螺儀以及衛星導航系統作為定向的主要儀器。

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