陀螺儀的秘密

肖芮

現(xiàn)代社會智能手機(jī)早已成為我們生活中不可分割的一部分，如果你仔細(xì)檢查手機(jī)的硬件配置，就會發(fā)現(xiàn)幾乎每一部手機(jī)都配置了陀螺儀，什么是陀螺儀？它有著什么作用呢？

歷史悠久的陀螺

提到陀螺儀你可能會感到有點(diǎn)陌生.但說到陀螺，你一定不陌生，你一定見過或者玩過簡單的只需要用食指和拇指夾住頂端.用力一搓，便可以在地上高速旋轉(zhuǎn)的手捻陀螺.或者用繩子纏繞，然后將其拋出，并用鞭子抽打以保持其直立旋轉(zhuǎn)的木制陀螺.陀螺是我國民間最早的娛樂工具之一，早在四五千年前，在我國山西夏縣新石器時(shí)代的遺址中.就發(fā)現(xiàn)了石制陀螺.18世紀(jì)由中國傳到歐洲的新奇玩具“竹片蜻蜓”曾被西方人稱為“中國陀螺”，因?yàn)樵谟⒄Z中陀螺有“回旋體”的意思，竹片蜻蜓是在空中進(jìn)行回旋，所以竹片蜻蜓也被認(rèn)為是陀螺的一種.

陀螺儀的產(chǎn)生

我們將繞一個(gè)支點(diǎn)高速轉(zhuǎn)動的剛體稱為陀螺，剛體是指在運(yùn)動和受力作用時(shí).其形狀和大小不變的物體.我們知道，任何物體在受到力的作用后，都會產(chǎn)生形變，所以真正的剛體是不存在的.如果物體形變程度極為微小.我們就可以忽略不計(jì)，這里說到的剛體其實(shí)是一種理想模型.陀螺儀簡單來說就是將一個(gè)高速旋轉(zhuǎn)的陀螺放到一個(gè)萬向支架上面.旋轉(zhuǎn)軸所指的方向在不受外力影響時(shí).是不會改變的（如圖1）.人們根據(jù)這個(gè)道理，用它來保持方向。

其實(shí)，萬向支架最早是由我國古人創(chuàng)造的.并被應(yīng)用于被中香爐中，被中香爐最早記載于《西京雜記》，我國古人喜歡用香爐來熏香或取暖，于是能工巧匠制成了結(jié)構(gòu)類似于陀螺儀的銅制容器，在里面放上香料或炭火，置于被中.不論香爐在被子里如何翻滾，爐口都能水平，絲毫不用擔(dān)心炭火會傾覆.被中香爐的球形外殼和位于中心的半球形爐體之間有兩層或三層同心圓環(huán)，爐體與每層圓環(huán)間各有兩根短支撐軸相連，這些短支撐軸相互垂直，使?fàn)t體和每層圓環(huán)可以自由轉(zhuǎn)動，這種支撐爐口的支架就被稱為萬向支架.即無論爐口是上下、左右、前后翻滾，萬向支架總能使?fàn)t口保持水平（如圖2）.

雖然是中國人最早發(fā)明了萬向支架.可中國人卻并沒有將萬向支架應(yīng)用于科學(xué)研究中，最早真正把萬向支架用在現(xiàn)代科學(xué)研究中并作出重要發(fā)現(xiàn)的是法國物理學(xué)家萊昂·傅科，傅科在1850年提出利用高速旋轉(zhuǎn)的陀螺來驗(yàn)證地球的自轉(zhuǎn).因?yàn)樾D(zhuǎn)的陀螺有保持旋轉(zhuǎn)軸方向不變的性質(zhì)，所以他將陀螺放在萬向支架上.將支架置于地面上.由于地球的自轉(zhuǎn)，經(jīng)過一段時(shí)間，陀螺的旋轉(zhuǎn)軸就與地球的自轉(zhuǎn)軸保持一致.因此可以明顯地說明地球的自轉(zhuǎn)，傅科利用他發(fā)明的傅科擺和這種陀螺儀有力地證明了地球的自轉(zhuǎn)，從此，萬向支架又被稱為“陀螺支架”.

陀螺儀的廣泛應(yīng)用

陀螺儀最早被用于航海中，幫助船員進(jìn)行導(dǎo)航，隨著科技的發(fā)展，從導(dǎo)彈、衛(wèi)星等國防科技事業(yè)，到油田鉆井、礦山挖掘等國民經(jīng)濟(jì)事業(yè)，與我們息息相關(guān)的航海、航空、汽車等交通方式.甚至是我們每個(gè)人正在使用的手機(jī)，都涉及陀螺儀的運(yùn)用.

陀螺儀一般可以作為指示儀表、穩(wěn)定器，甚至精密測試儀器來使用，作為指示儀表，陀螺儀可以在自動控制系統(tǒng)中作為敏感元件傳遞信號.提供準(zhǔn)確的方位、速度和加速度等信號，使飛機(jī)能夠按照一定的航線航行，不會偏離軌道.作為穩(wěn)定器.陀螺儀可以減少船舶在風(fēng)浪中的搖擺：穩(wěn)定飛機(jī)或衛(wèi)星上的相機(jī)，減少抖動等.作為精密測試儀器，陀螺儀能夠?yàn)閷?dǎo)彈發(fā)射、石油鉆井、隧道挖掘等提供準(zhǔn)確的測試數(shù)據(jù).

最早的陀螺儀都是機(jī)械式的.里面有一個(gè)高速旋轉(zhuǎn)的陀螺，后來為了提高測量精度.又出現(xiàn)了激光陀螺儀、光纖陀螺儀及微機(jī)電陀螺儀等，雖然這些東西也被稱為陀螺儀.但是它們的原理和傳統(tǒng)的機(jī)械陀螺儀已經(jīng)完全不同.主要是利用激光和電流的變化來獲取信息.完成相應(yīng)的功能，由于微機(jī)電陀螺儀價(jià)格低廉，所以發(fā)展迅速，應(yīng)用廣泛，手機(jī)中用的就是這種陀螺儀.而在航空航天這種對精度要求比較高的領(lǐng)域.則大多使用的是激光陀螺儀.

最后，你一定想知道陀螺儀在手機(jī)中起到什么作用.當(dāng)我們在拍照時(shí)，就會運(yùn)用手機(jī)上的陀螺儀來進(jìn)行穩(wěn)定，盡量避免由于手的抖動而造成的照片模糊不清：當(dāng)我們在手機(jī)上進(jìn)行賽車或飛行類游戲體驗(yàn)時(shí).可以通過左右晃動手機(jī)屏幕.來控制賽車或飛行的方向，從而達(dá)到良好的游戲體驗(yàn)：當(dāng)我們利用手機(jī)導(dǎo)航時(shí).由于行駛于隧道或者城市高大的建筑附近時(shí)，無法收到GPS信號，就可以通過陀螺儀來測量汽車的偏航或直線運(yùn)動位移.從而繼續(xù)導(dǎo)航.

從陀螺的發(fā)明到萬向支架的應(yīng)用，再到兩者的結(jié)合，最后到新型陀螺儀的發(fā)明，正是科技的進(jìn)步.使陀螺儀改變了我們的世界.

責(zé)任編輯 林洋