Гироскоп

<час />

Фон

Гироскоп - знакомая игрушка, которая обманчиво проста на вид и знакомит детей с некоторыми механическими принципами, хотя они могут этого не осознавать. Гироскоп представляет собой нечто вроде сложной вершины, сделанной из точно обработанного металла, и представляет собой вращающееся колесо, которое может быть установлено внутри двух или более круглых рамок, каждая из которых ориентирована вдоль другой линии или оси. Каркас можно наклонить под любым углом, и колесо - пока оно вращается - будет сохранять свое положение или положение.

Но гироскоп - это не просто игрушка. Он входит в состав многих научных и транспортных инструментов. К ним относятся компасы, механизмы, которые направляют торпеды к их целям, оборудование, которое удерживает большие корабли, такие как авианосцы, от катания на волнах, автопилоты самолетов и кораблей, а также системы, которые направляют ракеты и космические корабли относительно Земли (то есть , инерциальные системы наведения).

Гироскоп состоит из центрального колеса или ротора, установленного в каркас из колец. Кольца правильно называются кардаными или карданными кольцами. Подвесы - это устройства, которые поддерживают колесо или другую конструкцию, но позволяют им свободно перемещаться. Сами кольца опираются на шпиндель или ось на одном конце, который, в свою очередь, может быть установлен на основании или внутри инструмента. Свойство оси ротора указывать в исходное положение в пространстве называется гироскопической инерцией; инерция - это просто свойство движущегося объекта продолжать движение, пока он не остановится. Трение о воздух в конечном итоге замедляет колесо гироскопа, поэтому его импульс уменьшается. Затем ось начинает раскачиваться. Для сохранения инерции гироскоп должен вращаться с высокой скоростью, а его масса должна быть сосредоточена в направлении обода колеса.

История

Гироскоп - популярная детская игрушка, поэтому неудивительно, что его прародителем является волчок, одна из старейших игрушек в мире. Однокадровый гироскоп иногда называют гиротопом; наоборот, волчок - это безрамочный гироскоп. В шестнадцатом-восемнадцатом веках ученые, включая Галилея (1564–1642), Христиана Гюйгенса (1629–1695) и сэра Исаака Ньютона (1642–1727), использовали игрушечные волчки, чтобы понять вращение и законы физики, которые его объясняют. Во Франции в 1800-х годах ученый Жан-Бернар-Леон Фуко (1819-1868) изучал экспериментальную физику, доказал вращение Земли и объяснил его влияние на поведение объектов, движущихся по поверхности Земли. В 1850-х годах Фуко изучил движения ротора, установленного в карданной раме, и доказал, что вращающееся колесо сохраняет свое исходное положение или ориентацию в космосе, несмотря на вращение Земли. Фуко назвал ротор и стабилизатор гироскопа от греческих слов gyros . и скопиен что означает «вращение» и «для просмотра».

Только в начале 1900-х годов изобретатели нашли применение гироскопу. Герман Аншиутц-Кемпфе, немецкий инженер и изобретатель, признал, что стабильная ориентация гироскопа может быть использована в гирокомпасе. Он разработал гирокомпас для использования в подводном аппарате для подводных исследований, где обычные системы навигации и ориентации непрактичны. В 1906 году Отто Шлик испытал гироскоп с быстро вращающимся ротором на немецком торпедном катере See-bar. Море вызвало крен торпедного катера на 15 ° в каждую сторону, или всего на 30 °; когда его гироскоп работал на полной скорости, лодка кренилась менее чем на 1 °.

В США Элмер Амброуз Сперри (1860-1930) - изобретатель, известный своими достижениями в разработке электрических локомотивов и трансмиссий машин - представил гирокомпас, который был установлен на американский линкор Delaware в 1911 году. В 1909 году он разработал первый автопилот, который использует чувство направления гироскопа для поддержания курса самолета. Компания Anschiütz установила первый автопилот на основе трехкамерного гироскопа на датском пассажирском судне в 1916 году. В том же году был разработан искусственный горизонт для самолетов. Искусственный горизонт сообщает пилоту, как самолет катится (движется из стороны в сторону) или качается (движется вперед-назад), когда видимый горизонт исчезает в облаках или других условиях.

Снижение крена требовалось и для кораблей. Компания Sperry представила гиростабилизатор, в котором использовался двухкамерный гироскоп в 1915 году. Крен корабля в океане вызывает у пассажиров морскую болезнь, вызывает смещение груза и повреждение, а также вызывает напряжения в корпусе корабля. Гиростабилизатор Сперри был тяжелым, дорогим и занимал много места на корабле. Он был признан устаревшим в 1925 году, когда японцы изобрели подводный стабилизатор для стабилизации кораблей.

Во время интенсивной разработки ракетных систем и летающих бомб до и во время Второй мировой войны двухбалочные гироскопы были соединены с трехкамерными приборами для коррекции движений по крену и тангажу и для обеспечения автоматического управления, соответственно. Немцы использовали эту комбинацию на летающей бомбе Фау-1, ракете Фау-2 и беспилотном самолете. Фау-2 считается одной из первых баллистических ракет. На орбитальных космических кораблях для своих навигационных систем используется небольшая платформа, стабилизированная гироскопом. Эта характеристика гироскопов - оставаться стабильными и определять направление с очень высокой степенью точности - была применена к оружейным прицелам, бомбовым прицелам и бортовым платформам, которые поддерживают орудия и радары. Многие из этих механизмов были значительно усовершенствованы во время Второй мировой войны, а инерциальные навигационные системы, использующие гироскопы для космических кораблей, были изобретены и усовершенствованы в 1950-х годах, когда исследование космоса становилось все более важным.

Сырье

Материалы, используемые для изготовления гироскопа, могут варьироваться от относительно простых до очень сложных, в зависимости от конструкции и назначения гироскопа. Некоторые из них сделаны точнее, чем самые лучшие часы. Они могут вращаться на крошечных шарикоподшипниках, полированных частицах драгоценных камней или тонких пленках из воздуха или газа. Некоторые работают полностью в вакууме, подвешенном под действием электрического тока, поэтому они ничего не касаются и не возникает трения.

Гироскоп с двигателем с электрическим приводом и металлическими подвесами состоит из четырех основных наборов компонентов. Это двигатель, электрические компоненты, электронные платы для запрограммированной работы, а также ось и кольца кардана. Большинство производителей закупают двигатели, электрические и электронные компоненты у субподрядчиков. Это могут быть товары на складе или они могут быть изготовлены в соответствии с набором спецификаций, предоставленных поставщику производителем гироскопа. Обычно производители гироскопов изготавливают свои собственные подвесы и оси. Алюминий является предпочтительным металлом из-за его характеристик расширения и прочности, но более сложные гироскопы изготавливаются из титана. Металл закупается оптом в виде прутков и подвергается механической обработке.

Дизайн

Руководствуясь электрическими и механическими аспектами теории гироскопа, инженеры выбирают конструкцию колес для подвесов и металлическую ложу, подходящую для этой конструкции. Конструкции для многих применений гироскопов довольно стандартны; то есть редизайн или дизайн новой линии - это вопрос адаптации существующего дизайна к новому использованию, а не создание нового продукта с самого начала. Однако дизайн предполагает соблюдение самых фундаментальных инженерных практик. Допуски, зазоры и электронные заявки очень точны. Например, конструкция карданных колес и конструкция их обработки имеют очень малый допуск на погрешность; поперечное сечение стабилизатора должно быть равномерным по всему периметру, иначе гироскоп выйдет из равновесия.

Производственный процесс

1. Подвесы и их рамы изготовлены из алюминиевого стержня с использованием Пример гироскопа. инструменты, разработанные как часть процесса проектирования. Их полируют, чистят и хранят в бункерах до сборки. Для сборки бункеры перемещаются в соответствующие места на сборочной линии.
2. Гироскопы производятся на прямом конвейере, что подчеркивает важность «сенсорного труда» над автоматизацией. Гироскопы собираются изнутри. Мотор является сердцем гироскопа и устанавливается первым. «Типичный» двигатель гироскопа синхронизирован для вращения со скоростью 24 000 оборотов в минуту (об / мин). Он должен быть идеально синхронизирован, и двигатель обычно перед сборкой испытывается на стенде. К двигателю добавлены электрические соединения.
3. Затем собираются карданы и рамы, начиная с внутреннего кардана и заканчивая внешним каркасом. Подшипники ставятся на место. «Осевой люфт» подшипников (неплотность посадки) обычно имеет очень малый допуск, составляющий 0,0002–0,0008 дюйма (0,006–0,024 мм).
4. Крайние электрические соединения присоединяются к сборочной линии, и добавляются печатные платы. Наконец, гироскоп калибруется в конце процесса сборки. Подвеска подшипников и калибровка проверяются вручную; производители обнаружили, что даже при калибровке наблюдение, тестирование и коррекция человеком более надежны, чем автоматизированные методы.

Гироскоп - это элегантный пример применения простых принципов физики. Поскольку это просто, производители внимательно следят за любыми запатентованными технологиями. Поскольку гироскоп - это простое устройство с широким спектром применения, для некоторых требуется больше производственных процессов. Описанные выше этапы производства занимают около 10 часов и приводят к бесплатному использованию гироскопа для такого применения, как наведение ракеты. Для сборки более экзотического гироскопа может потребоваться 40 часов.

Контроль качества

Контроль качества важен на протяжении всего процесса проектирования и сборки при производстве гироскопов, потому что инструменты являются частью пилотируемых самолетов, беспилотных ракет и других транспортных и оружейных устройств, которые в случае отказа могут вызвать катастрофу. Инженеры, ученые и дизайнеры получают высшее образование и проходят подготовку до приема на работу и во время работы. Рабочие сборочного конвейера должны пройти начальное обучение, чтобы быть нанятым, и они должны регулярно проходить регулярные тренинги. Многие стандарты качества, которые должны соблюдаться при производстве гироскопов, могут быть измерены, поэтому производственный контроль выполняется на протяжении всего производства. Контроль качества на самом высоком уровне осуществляется инспекторами извне компании и включает государственных инспекторов. Заказчики также проводят собственные проверки и приемочные испытания; если продукт производителя не проходит тесты заказчиков, вышедшие из строя гироскопы возвращаются.

Побочные продукты / отходы

Производители гироскопов не производят побочных продуктов, но, как правило, производят целые линейки гироскопов для самых разных применений. Они также не производят много отходов. При обработке карданов и колец образуется немного алюминиевой стружки, но она собирается и возвращается поставщику алюминия для вторичной переработки.

Проблемы безопасности

Производители соблюдают требования Управления по охране труда (OSHA) в отношении освещения, вентиляции и эргономики (удобные сиденья и рабочие скамьи, снижающие вероятность повторяющихся стрессовых травм). В помещении необходимо поддерживать влажность, чтобы предотвратить электростатический разряд. Требуется небольшое количество чистящих растворителей, но используются безвредные (безвредные) чистящие средства на основе цитрусовых.

Будущее

Использование гироскопов увеличивается с увеличением количества устройств, требующих наведения и управления. Хотя основы гироскопа основаны на законах физики и никогда не могут измениться, технология развивается. Механические и электрические методы обеспечения вращающейся массы, которая заставляет гироскоп работать, постепенно заменяются кольцевыми лазерами и микротехнологиями. Катушки из тонких оптических волокон являются ключом к созданию компактных и легких гироскопов, которые могут найти применение в навигационных системах для автомобилей. Гироскоп - такой простой, но сложный инструмент для поддержания баланса такого количества инструментов на транспорте, разведке и промышленности, что, видимый или невидимый, ему определенно найдется место в будущем.