陀螺原理及在工程技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用研究

李靜瑜

摘 要：角動量守恒在現(xiàn)代技術(shù)有著非常廣泛的應(yīng)用。例如直升飛機在未發(fā)動前總角動量為零，發(fā)動以后旋翼在水平面內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)必然引起機身的反向旋轉(zhuǎn)。為了避免這種情況，人們在機尾上安裝一個在豎直平面旋轉(zhuǎn)的尾翼，由此產(chǎn)生水平面內(nèi)的推動力來阻礙機身的旋轉(zhuǎn)運動。與此類似，魚雷都采用左右兩個沿反方飛機、導(dǎo)彈或宇宙飛船上的回旋儀（也稱“陀螺”，由蒼蠅后翅（特化為平衡棒）仿生得來。）的導(dǎo)航作用，也是角動量守恒應(yīng)用的最好例證。本文探討陀螺的回旋效應(yīng)（gyroscopic effect）以及此效應(yīng)在現(xiàn)代工程技術(shù)等領(lǐng)域中廣泛使用。

關(guān)鍵詞：角動量守恒；陀螺儀；回旋效應(yīng)

1 引言

陀螺（top）既是繞一個支點高速轉(zhuǎn)動的剛體（rigid body）。日常生活中人們常說的陀螺我們?nèi)笔閷ΨQ陀螺，既為質(zhì)量均勻分布的、具有軸對稱形狀的剛體，其幾何對稱軸就是它的自轉(zhuǎn)軸。在一定的初始條件和一定的外在力矩作用下，陀螺會在不停自轉(zhuǎn)的同時，還繞著另一個固定的轉(zhuǎn)軸不停地旋轉(zhuǎn)，這就是陀螺的旋進(jìn)（precession），又稱為回轉(zhuǎn)效應(yīng)（gyroscopic effect）。

2 陀螺的原理

一個固定了旋心并傾斜旋轉(zhuǎn)的陀螺受到兩個旋矩的作用，一個是重力旋矩，另一個是使陀螺旋轉(zhuǎn)與水平面平行的旋矩，在這兩個旋矩的作用下又產(chǎn)生了繞心進(jìn)動的旋矩。在這里旋矩等于向心加速度乘以旋臂。

因為重力旋矩和讓陀螺旋轉(zhuǎn)的旋矩都是向心作用的，但它們的作用方向卻成90度角的同心垂直交叉作用。可以建矢量坐標(biāo)來表示重力旋矩和與水平面平行的旋矩的大小，垂直方向的為重力旋矩，與水平面平行的為陀螺旋轉(zhuǎn)的旋矩。

當(dāng)使陀螺旋轉(zhuǎn)的旋矩等于陀螺固定的最大重力旋矩時，它們的向心作用點就會在同一點上，這時陀螺的旋轉(zhuǎn)就會形成以陀螺旋轉(zhuǎn)的旋矩大小為半徑的擴大了的球形旋轉(zhuǎn)，而按球形球面的任意一點到球心的向心旋矩是相等的來分析，實際上旋矩的作用就是平衡了重力旋矩的作用而使陀螺豎立不倒。還有重力旋矩的作用中心是始終指向球心的，不管以旋矩形成的球形有多大，就會有以這球形半徑的大小為力臂而形成的重力旋矩。

而當(dāng)陀螺旋轉(zhuǎn)的旋矩小于固定了旋心的陀螺重力旋矩時，它們的向心作用點就不在同一點上，此時陀螺腳到陀螺旋心的重力旋矩就會倒下直到和旋轉(zhuǎn)的旋矩平衡相等并同心垂直交叉為止，即重新形成以這陀螺旋矩大小一樣的重力旋矩和以這旋矩為半徑的球形旋轉(zhuǎn)，同時也形成了以陀螺腳為周轉(zhuǎn)中心的繞心旋矩，這就是陀螺為什斜著旋轉(zhuǎn)不會倒下的原理。

3 物理推導(dǎo)

一個圓環(huán)陀螺，定點在質(zhì)心，自轉(zhuǎn)角速度為ω，轉(zhuǎn)動慣量為J，施加一個力偶距M使其處于規(guī)則進(jìn)動，現(xiàn)推導(dǎo)其進(jìn)動角速度Ω。

取圓環(huán)上相對豎直軸角位移為θ的某質(zhì)點P來分析。

我們將規(guī)則進(jìn)動的陀螺看作一個轉(zhuǎn)動參考系，僅考慮P受到的垂直于盤面的加速度，可求出為：

a=2Ω×V=2Ω×（R×ω）×sin（θ+Pi/2）=2Ω×R×ω×cos（θ） （1）

設(shè)P對軸的角加速度為α，由角加速度與加速度的關(guān)系：

α=a/（R×cos（θ））

代入（1）得：

α=2Ω×ω （2）

由此可見，圓環(huán)上各質(zhì)點對軸的角加速度與質(zhì)點位置θ無關(guān)，所以圓環(huán)對軸具有統(tǒng)一的角加速度，于是可使用剛體轉(zhuǎn)動定理：

α=M/I，I為圓環(huán)對軸的轉(zhuǎn)動慣量，易知I=J/2，代入（2）得：

2Ω×ω=M/（J/2）

Ω=M/（Jω）

定性分析如下：

邊緣上質(zhì)點隨圓盤在自轉(zhuǎn)，并在線加速度作用下，出現(xiàn)如下運動

余弦形式的加速度導(dǎo)致質(zhì)點正弦變化的線速度，二者方向時刻相同，并垂直于盤面邊緣（圓環(huán)）所有對稱質(zhì)點都在以此規(guī)律運動，因此該圓環(huán)在兩“豎直”力的作用下，將會出現(xiàn)水平翻轉(zhuǎn)，這就是“進(jìn)動”并且不會出現(xiàn)轉(zhuǎn)動，也就是空間位置不變，這就是“穩(wěn)定性”，也就是“不倒”

4 陀螺的實際應(yīng)用

陀螺儀是一種既古老而又很有生命力的儀器，從第一臺真正實用的陀螺儀器問世以來已有大半個世紀(jì)，但直到現(xiàn)也，陀螺儀仍在吸引著人們對它進(jìn)行研究，這是由于它本身具有的特性所決定的。陀螺儀最主要的基本特性是它的穩(wěn)定性和進(jìn)動性。人們從兒童玩的地陀螺中早就發(fā)現(xiàn)高速旋轉(zhuǎn)的陀螺可以豎直不倒而保持與地面垂直，這就反映了陀螺的穩(wěn)定性。研究陀螺儀運動特性的理論是繞定點運動剛體動力學(xué)的一個分支，它以物體的慣性為基礎(chǔ)，研究旋轉(zhuǎn)物體的動力學(xué)特性。

陀螺儀器最早是用于航海導(dǎo)航，但隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，它在其他工程技術(shù)領(lǐng)域中也得到廣泛的應(yīng)用。陀螺儀器不僅可以作為指示儀表，而更重要的是它可以作為自動控制系統(tǒng)中的一個敏感元件，即可作為信號傳感器。根據(jù)需要，陀螺儀器能提供準(zhǔn)確的方位、水平、位置、速度和加速度等信號，以便駕駛員或用自動導(dǎo)航儀來控制飛機、艦船或航天飛機等航行體按一定的航線飛行，而在導(dǎo)彈、衛(wèi)星運載器或空間探測火箭等航行體的制導(dǎo)中，則直接利用這些信號完成航行體的姿態(tài)控制和軌道控制。作為穩(wěn)定器，陀螺儀器能使列車在單軌上行駛，能減小船舶在風(fēng)浪中的搖擺，能使安裝在飛機或衛(wèi)星上的照相機相對地面穩(wěn)定等等。作為精密測試儀器，陀螺儀器能夠為地面設(shè)施、礦山隧道、地下鐵路、石油鉆探以及導(dǎo)彈發(fā)射井等提供準(zhǔn)確的方位基準(zhǔn)。由此可見，陀螺儀器的應(yīng)用范圍是相當(dāng)廣泛的，它在現(xiàn)代化的國防建設(shè)和國民經(jīng)濟建設(shè)中均占重要的地位。

4.1、陀螺工作站的原理

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鉛直方向的傾向。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(dāng)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(dāng)軸平行于子午線而靜止時可加以應(yīng)用。

4.2、陀螺工作站的構(gòu)造

陀螺經(jīng)緯儀的陀螺裝置由陀螺部分和電源部分組成。此陀螺裝置與全站儀結(jié)合而成。陀螺本體在裝置內(nèi)用絲線吊起使旋轉(zhuǎn)軸處于水平。當(dāng)陀螺旋轉(zhuǎn)時，由于地球的自轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)軸在水平面內(nèi)以真北為中心產(chǎn)生緩慢的歲差運動。旋轉(zhuǎn)軸的方向由裝置外的目鏡可以進(jìn)行觀測，陀螺指針的振動中心方向指向真北。利用陀螺經(jīng)緯儀的真北測定方法有“追尾測定”和“時間測定”等。

4.2.1追尾測定[反轉(zhuǎn)法]

利用全站儀的水平微動螺絲對陀螺經(jīng)緯儀顯示歲差運動的刻度盤進(jìn)行追尾。在震動方向反轉(zhuǎn)的點上（此時運動停止）讀取水平角。如此繼續(xù)測定之，求得其平均震動的中心角。用此方法進(jìn)行20分鐘的觀測可以求得+/-0。5分的真北方向。

4.2.2時間測定[通過法]

用追尾測定觀測真北方向后，陀螺經(jīng)緯儀指向了真北方向，其指針由于歲差運動而左右擺動。用全站儀的水平微動螺絲對指針的擺動進(jìn)行追尾，當(dāng)指針通過0點時反復(fù)記錄水平角，可以提高時間測定的精度，并以+/-20秒的精度求得真北方向。

5 陀螺儀應(yīng)用實例

5.1 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(dǎo)線。特別是進(jìn)行盾構(gòu)挖掘（shield tunnel）的情況，從立坑的短基準(zhǔn)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(jìn)行地面和地下的對應(yīng)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(jìn)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(zhǔn)，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。

5.2 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(zhǔn)，進(jìn)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。

參考文獻(xiàn)

[1]拉普拉斯.相對論.中國科學(xué)出版社.2018.11

[2]遆珠江.與陀螺對話.中國科學(xué).2017.12.30

[3]程剛.陀螺在工程林谷的應(yīng)用研究.中國科學(xué)出版社.2017.6