太空科學(xué)課（四）

太空熊貓君

今天我要發(fā)個朋友圈，因為手機上顯示我走了15000步，妥妥的“運動小達(dá)人”！那你想過沒有，手機是如何記錄你的步數(shù)的呢？記錄步數(shù)到底利用了什么科學(xué)原理呢？其實，天宮二號空間實驗室中進(jìn)行的一個太空實驗早就告訴我們答案了！

翻滾的陀螺

2013年6月，航天員王亞平向全國中小學(xué)生展示了一系列的太空實驗，其中第四個實驗非常神奇：王亞平拿出 一個陀螺，讓它懸浮在空中。隨后，王亞平用手指輕觸陀螺，陀螺受力，翻滾著向前飛去。接 下來，王亞平又取出另一個陀螺，通過抽動讓它快速旋轉(zhuǎn)起來，這個時候再輕推陀螺，雖然它依然會向前飛出，但是不再翻滾，不再改變自轉(zhuǎn)軸的方向了。

快速旋轉(zhuǎn)下不再翻滾的陀螺

陀螺的這個特性叫作定軸性：當(dāng)陀螺快速旋轉(zhuǎn)起來之后，如果我們只是輕觸，不去刻意地轉(zhuǎn)動它，它就不會改變自轉(zhuǎn)軸的方向。轉(zhuǎn)動陀螺的定軸性是無處不在的，只是在地面上受到重力和摩擦力等因素的影響，表現(xiàn)并不明顯 ，到這個現(xiàn)象啦！

快速旋轉(zhuǎn)下不再翻滾的陀螺

為什么會出現(xiàn)這個特性呢？我們可以對陀螺做一個受力分析。一個不旋轉(zhuǎn)的陀螺，假設(shè)我們在左側(cè)輕輕向下推動陀螺，正常情況下，陀螺肯定會朝這個方 向翻轉(zhuǎn)。但當(dāng)陀螺進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)的時候，我們在同樣的位置推 動陀螺，情況就不一樣了——推動的瞬間，左側(cè)受到向下的推 力，陀螺的這部分會向下轉(zhuǎn)動，同時右側(cè)會向上運動。然而 別忘了，陀螺還在高速旋轉(zhuǎn)呢，陀螺的左側(cè)會快速地跑到右側(cè) ，而右側(cè)向上運動的慣性還在，向上和向下的力相互抵消，整個陀螺翻轉(zhuǎn)的 動作就停止了。看上去的結(jié)果就是旋轉(zhuǎn)的陀螺被推動時，其自轉(zhuǎn)軸可以永遠(yuǎn) 保持同一個方向而不會發(fā)生翻轉(zhuǎn)，這就是轉(zhuǎn)動陀螺的定軸性。

這個特性的原理聽起來有些復(fù)雜，但已經(jīng)被應(yīng)用在很多領(lǐng)域了，在我們身邊隨處可見。通過這個特性，我們可以判斷一個物體是否發(fā)生了抖動或者轉(zhuǎn)動。科學(xué)家利用這個特性發(fā)明的陀螺儀，已經(jīng)成為很多電子產(chǎn)品中非常重要的原伯。小到手機檢測行走步數(shù)、拍照防抖的功能，大到船只、飛機、航天器的導(dǎo)航和姿態(tài)控制都離不開陀螺儀。

美國F-104戰(zhàn)斗機上的陀螺儀

陀螺儀的發(fā)明者是法國物理學(xué)家萊昂·傅科，他最著名的成果就是發(fā)明傅科擺證明了地 球在自轉(zhuǎn)。他設(shè)計的陀螺儀就是在一個萬向支架中放置一個高速旋轉(zhuǎn)的陀螺，由于定軸性的存在 ，無論我們?nèi)绾我苿印⑥D(zhuǎn)動、震動整個裝置，陀螺自轉(zhuǎn)軸的朝向都保持不變，這樣我們就可以用它 來判斷方向和姿態(tài)了。最開始，陀螺儀主要被用于航海導(dǎo)航，幫助船員確認(rèn)方向。后來陀螺儀被應(yīng)用在航空領(lǐng)域，飛機在飛行的過程中很難確定方向的問題就迎刃而解了。二戰(zhàn)期間，德國甚至用陀螺儀為導(dǎo)彈裝備了慣性制導(dǎo)系統(tǒng)。

傳統(tǒng)的機械式陀螺儀存在著一些問題：陀螺和軸承直接接觸，存在摩擦力，對精度的影響很嚴(yán)重。經(jīng)過改進(jìn)，現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的，無論是光纖陀螺儀還是集成式的振動陀螺儀，都具有體積更小、靈敏度更高等特點。

現(xiàn)在，陀螺儀種類繁多。很多智能手機都集成有 微機電陀螺儀（MEMS），雖然它還叫“陀螺儀”，但是外觀上已經(jīng)跟陀螺沒有什么關(guān)系了。微 機電陀螺儀使用微/納米技術(shù)，將微機電系統(tǒng)裝置和電子線路集成到微小的硅片上，通過監(jiān)測 轉(zhuǎn)動后產(chǎn)生的電容變化，計算出角速度，就可以完成對運動的測量了。

再來看看我們身邊最常見的智能手機吧！手機里 的陀螺儀能實現(xiàn)哪些功能呢？簡直太多了：你在玩射擊或者賽車游戲的時候，可以通過調(diào)整手機 姿態(tài)來進(jìn)行控制;手機拍照的防抖功能也離不開陀螺儀，點擊拍照按鈕時產(chǎn)生的微小抖動很可 能會讓你的照片模糊，通過陀螺儀監(jiān)測手機運動，再結(jié)合圖像處理器的算法，就可以把你的抖 動補償回來，為你呈現(xiàn)一張清晰的照片：陀螺儀還可以輔助導(dǎo)航，當(dāng)我們身處隧道、導(dǎo)航信號 丟失的時候，手機能夠通過陀螺儀感知你的方向和速度，重新計算你所處的位置。最后我們再 重新看下文章開頭的那個問題：手機是如何知道你走了多少步的？就是微機電陀螺儀結(jié)合加速傳 感器計算出來的！

隨著增強現(xiàn)實、虛擬現(xiàn)實等技術(shù)的興起，陀螺儀 在未來將會發(fā)揮更大的作用。而它的基本原理，正是本次太空授課中王亞平為我們演示的實驗 。

下一個太空實驗，王亞平將為我們展示在生活中 幾乎無處不在的水和太空中的水有什么不一樣的地方，敬請期待吧！805C3199-4521-433B-AB66-C28A7984D0D7