陀螺儀

同學(xué)，你玩過陀螺嗎？陀螺靜止的時候是無法立住的，但是當(dāng)你把陀螺快速旋轉(zhuǎn)起來的時候，它就能“金雞獨立”了。你知道嗎？這樣一個隨處可見的小小玩具，它蘊含的原理可以幫助火箭和宇宙飛船飛向正確的方向呢！許多交通工具上都安裝有陀螺儀，這是一種運用陀螺的原理、能夠測量運動物體相對慣性空間角運動（角位移或角速度）的裝置，主要用于飛機、艦船、導(dǎo)彈、航天器及車輛的控制、導(dǎo)航等。今天，我們就一起來認識神奇的陀螺儀吧！

陀螺儀是誰發(fā)明的？

地球圍繞太陽公轉(zhuǎn)，而且還會繞著地軸穩(wěn)定自轉(zhuǎn)，每24個小時自轉(zhuǎn)一周。為什么地球的自轉(zhuǎn)如此規(guī)律，不會混沌地搖擺呢？1852年，法國物理學(xué)家萊昂·傅科發(fā)現(xiàn)地球自轉(zhuǎn)與陀螺旋轉(zhuǎn)有異曲同工之妙，于是發(fā)明了最早的陀螺儀，向大家演示地球自轉(zhuǎn)的原理。

幾十年后，人們逐漸認識到一個小小的陀螺竟然可以解決船舶航行時確定方向的問題。1906年，德國海軍工程師施里克在一艘魚雷艇上進行了陀螺儀穩(wěn)定性的實驗。在波濤洶涌的大海上，任憑船舶如何搖擺，陀螺儀均可以保持穩(wěn)定，像定海神針一樣為船員指明航向。

后來，隨著技術(shù)的逐漸完善，陀螺儀很快被安裝在潛艇、飛機、飛艇等各種交通工具上，發(fā)揮著舉足輕重的作用。火箭作為人類目前能飛向地球以外茫茫宇宙的交通工具，自然也少不了陀螺儀的身影。德國的V2導(dǎo)彈作為世界火箭的“先驅(qū)”，在設(shè)計之初就配備了陀螺儀。如今我們能見到的每一艘火箭、每一顆衛(wèi)星、每一艘載人飛船上都搭載有陀螺儀。

陀螺儀為何有此身手？

飛速旋轉(zhuǎn)的陀螺與地面只通過一個點接觸，竟然可以保持平衡而不倒，這種看似神奇的“魔力”其實是物理學(xué)中一個非常基礎(chǔ)的概念——角動量守恒。

這個名詞可能會讓你一頭霧水，但其實蘊藏的原理很簡單：角動量是描述物體轉(zhuǎn)動狀態(tài)的物理量，飛速旋轉(zhuǎn)的物體都有角動量，而角動量的方向具有穩(wěn)定不變的特點。拿玩具陀螺來說，飛速旋轉(zhuǎn)的陀螺擁有角動量，角動量的方向具有守恒的特性，因此旋轉(zhuǎn)的陀螺可以保持直立姿態(tài)，不會傾倒。陀螺旋轉(zhuǎn)的速度越快，越容易維持姿態(tài)的平衡。

當(dāng)外力試圖改變陀螺的旋轉(zhuǎn)方向時，陀螺便會抵抗這一外力。因此，安裝陀螺儀之后，一旦火箭的飛行方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的陀螺便會感知到這一變化的外力，從而由傳感器傳遞給電腦。經(jīng)過數(shù)據(jù)分析之后，電腦可以根據(jù)外力的大小、方向來判斷火箭飛行方向有沒有發(fā)生變化。火箭的陀螺儀和電腦一般都安裝在火箭的頂部位置，因為這里擺動幅度最大，能更靈敏地監(jiān)測到數(shù)據(jù)的變化。

一套完整的火箭陀螺儀通常包含三個獨立的陀螺，分別負責(zé)檢測上下、左右和前后三個方向（俯仰、偏航和滾動）。火箭飛行時會遇到空氣阻力等各種擾動，使火箭飛行的方向產(chǎn)生偏差，陀螺儀可以實時檢測這些擾動，電腦會實時修正火箭的飛行航向，確保火箭精準到達目的地。為了防止可能的失效與故障，一個航天器會同時配備多套陀螺儀。

哈勃空間望遠鏡的陀螺儀故障

大名鼎鼎的哈勃空間望遠鏡自1990年發(fā)射以來，已運行了34年，為全世界的天文學(xué)家提供了寶貴的科學(xué)數(shù)據(jù)。它配有6套陀螺儀，每套陀螺儀內(nèi)部的轉(zhuǎn)輪以每分鐘19200轉(zhuǎn)的高速旋轉(zhuǎn)。30多年勤勤懇懇地工作，這些陀螺儀出現(xiàn)了明顯的老化，其中3套目前已經(jīng)“累癱”——完全停擺。

對于哈勃這類天基望遠鏡，只有擁有穩(wěn)定的姿態(tài)，才可以穩(wěn)定瞄準觀測目標(biāo)。2024年4月，哈勃上3套仍在運轉(zhuǎn)的陀螺儀中的一套發(fā)生了故障，導(dǎo)致它自動進入安全模式，停止觀測活動。科學(xué)家與工程師們正在研究延壽方案，以期“年事已高”的哈勃能取得更多發(fā)現(xiàn)。

更高級的陀螺儀

憑借機械轉(zhuǎn)動來確定方向的經(jīng)典陀螺儀耗能較高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。隨著技術(shù)的發(fā)展，目前火箭和衛(wèi)星上已經(jīng)配備了激光陀螺儀、光纖陀螺儀等更先進的陀螺儀。它們憑借光速等特性來精準確定航天器的飛行姿態(tài)，精度更高，反應(yīng)更快，體積更小。

智能手機內(nèi)也有陀螺儀，常見的是微電機陀螺儀，通過測量微小的電容變化來感知自身的姿態(tài)變化，在一些導(dǎo)航、游戲軟件里大顯身手。

穿越云霄的火箭確定航向，口袋中的智能手機感知姿態(tài)，小朋友手中的陀螺玩具飛速旋轉(zhuǎn)，背后的原理就是如此相通。看似遙不可及的高端科技，其實所蘊含的科學(xué)原理很可能就跟我們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｒ姷氖挛锵⑾⑾嚓P(guān)。你還能舉出類似的例子嗎？