陀螺仪

陀螺仪（英文：gyroscope），是一种基于角动量守恒的理论，用来感测与维持方向的装置。陀螺仪主要是由一个位于轴心且可旋转的转子构成。由于转子的角动量，陀螺仪一旦开始旋转，即有抗拒方向改变的趋向。陀螺仪多用于导航、定位等系统。1852年法国的物理学家莱昂·傅科为了研究地球自转，首先发现高速转动中的转子（rotor），由于惯性作用它的旋转轴永远指向一固定方向，他用希腊文gyro（旋转）和skopein（看）两字合为gyroscopei一字来命名这种仪表。1860年代，电动马达的演进使得陀螺仪能够无限旋转，进而诞生了第一组航向指示器的原型，甚至是更复杂的仪器--旋转罗盘。第一组有功能性的旋转罗盘于1904年由德国发明家赫尔曼·安修斯·康菲（英语：Hermann Anschütz-Kaempfe）申请专利，美国人艾尔默·斯派理（英语：艾爾默·斯派理）在一年后也提出了他自己的设计。其他国家很快地便发觉到陀螺仪在军事方面的重要性—在这个航行技术为最重要的军事力量指标的年代—因而创立了他们自己的陀螺仪工业。斯派理陀螺仪公司快速扩张并供应飞机与船舰的稳定器，其他陀螺仪开发商也跟进。到了20世纪末，原本只在飞机、导弹上存在的陀螺仪逐步民用化，也从机械结构迈入电子时代，使用的原理也不尽相同，然而他们的价格依旧昂贵，感应器集成度也不高，只会用在大型仪器上，但21世纪以来，因为智能手机产业的进步，陀螺仪的体积不断缩小，使得原本笨重而昂贵的陀螺仪忽然变成唾手可得的零组件，也带动了小型无人机的发展。陀螺仪的装置，一直是航空和航海上航行姿态及速率等最方便实用的参考仪表。基本上陀螺仪是一种机械装置，其主要部分是一个对旋转轴以极高角速度旋转的转子，转子装在一支架内（见图一a）；在通过转子中心轴XX1上加一内环架，那么陀螺仪就可环绕飞机两轴作自由运动；然后，在内环架外加上一外环架；这个陀螺仪有两个平衡环，可以环绕飞机三轴作自由运动，就是一个完整的空间陀螺仪（space gyro）。陀螺仪用在飞机飞行仪表的心脏地位，是由于其两个基本特性：一为定轴性（inertia 或 rigidity），另一是逆动性（precession），这两种特性都是建立在角动量守恒的原则下。物体维持自身转动状态并对抗改变的能力称为转动惯量，其由相对于特定旋转轴的质量分布决定，对多质点物体转动惯量 I = ∑ i = 1 N m i r i 2 {displaystyle textstyle I=sum _{i=1}^{N}{m_{i}r_{i}^{2}}} ，概言之：质量越大、对轴距离越远，转动惯量越大。一方面陀螺转子的对轴对称性结构使得其具备了同质量物体较大的对轴转动惯量，意味着其在同阻力扭矩情况下能够更长时间保持原始运动状态；另一方面在轴的、小摩擦与无角自由度限制的支点使得外力无法籍此产生较大且有效的阻力扭矩；因此当陀螺转子以极高速度旋转时，其转动得以维持并保持其轴指向一个相对固定的方向，这种物理现象称为陀螺仪的定轴性或惯性。在运转中的陀螺仪，如果外界施一力在转子上，此力对支点的力矩当可分解为顺轴方向和垂直于轴方向两个分力矩；前者使陀螺加速、减速，但不会改变转轴方向；后者的时间积分将会逐渐改变转动方向（通常是短时较小而随时间逐渐积累增大），并产生相对于原轴的章动（新的旋转轴原轴旋转，如转速降低时陀螺受重力作用时的非垂直旋转）。在运转中的陀螺仪，如果外界施一作用或力矩在转子旋转轴上，则旋转轴并不沿施力方向运动，而是顺着转子旋转向前90度垂直施力方向运动，此现象即是逆动性。 逆动性的大小也有三个影响的因素： 外界作用力愈大，其逆动性也愈大； 转子的质量惯性矩（moment of inertia）愈大，逆动性愈小； 转子的角速度愈大，逆动性愈小。 而逆动方向可根据逆动性原理取决于施力方向及转子旋转方向。