陀螺儀是相當神奇的物件，它們以奇特的方式移動，似乎無視引力。這些設備的特性使它們成為飛機、空間站和其他各種需要處理旋轉的技術中的重要設備。

根據《牛津英語詞典》，陀螺儀是一種“裝有輪子或圓盤的裝置，它可以繞軸快速旋轉，而軸本身可以自由改變方向。”軸的方向不受安裝傾斜的影響。”

雖然這個定義很好，但它并沒有真正解釋它們是如何工作的，或者為什麼它們如此重要。為了更好地理解這一點，我們首先需要看看它們的“奇怪行為”。

雖然它們表面上看起來像簡單的物體，但它們可以表演一些非常奇怪的把戲。

當輪子不旋轉時，陀螺儀實際上是過度設計的。如果你試着讓它站起來，它就會摔倒。關鍵在于它們的旋轉。

也許你小時候玩過陀螺儀? 也許你有指尖陀螺? 如果是這樣，你會記得它們是如何表演許多有趣的把戲的。例如，當它運動時，你可以在繩子或手指上保持平衡。

當你把它從支架上懸挂起來時，你甚至可以讓它傾斜一個角度，它看起來就像懸浮在空中，盡管是在繞着支架旋轉。更令人印象深刻的是，你可以用一根繩子繞着陀螺的一端提起陀螺。

在古代中國，可以追溯到公元前500年，一種模仿蜻蜓的有趣的玩具叫“竹蜻蜓”。這種玩具很受孩子們的歡迎。當他們用手摩擦這個玩具時，它就飛到空中去了。孩子們做了個有趣的實驗，看誰的竹蜻蜓飛得最遠，飛得最高。竹蜻蜓是一種較早的陀螺儀，已有2500多年的曆史。但是“陀螺儀”這個名字直到19世紀中葉才出現。陀螺儀是由一位法國物理學家Jean-Bernard-Léon福柯發明的，他将兩個希臘詞根結合在一起，将自己的實驗儀器命名為地球自轉觀測儀器: gyros意為“旋轉”，skopeein意為“看到”。在他證明地球自轉的實驗中，他發現陀螺儀可以保持它們在空間中的原始方向，不管地球自轉。這種獨特的優點制造的陀螺儀是完美的傳感器，以檢測和測量旋轉物體的角速度，車輛偏離其期望的方向。自此，陀螺儀被廣泛應用于自主導航系統中。

根據《大英百科全書》，第一個可用的陀螺羅盤是由德國發明家H. Anschütz-Kaempfe在1908年發明的。它的發明是為了在潛水器中使用。然後，在1909年，美國發明家埃爾默·A·斯佩裡發明了第一個自動駕駛儀。它由陀螺儀組成，用來測量飛機的旋轉速度。通過收集這些信息，陀螺儀可以幫助穩定飛機的飛行。1916年，陀螺儀被一家德國公司用于一艘丹麥客船的輔助駕駛。此後，陀螺儀在姿态控制和導航系統中越來越受歡迎。

陀螺儀的原理是旋轉物體的旋轉軸在不受外力影響的情況下，其方向不會改變。根據這個原因，人們用它來保持方向。然後采用多種方法讀取軸所指示的方向，并将數據信号自動傳輸到控制系統。我們騎自行車就利用了這一原則。車輪轉得越快，越不容易，因為輪軸有維持水平的力。現代陀螺儀能夠準确地确定運動物體的位置，在現代航空、導航、航天和國防工業中得到廣泛的應用。常規慣性陀螺儀的主要部件是機械陀螺儀，而機械陀螺儀對工藝結構要求較高。70年代，現代光纖陀螺儀的基本思想被提出。80年代以後，光纖陀螺儀得到了迅速的發展，激光諧振陀螺儀也取得了很大的進步。光纖陀螺儀具有結構緊湊、靈敏度高、工作可靠等優點。在許多領域，光纖陀螺儀已經完全取代了傳統的機械陀螺儀，成為現代導航儀器的關鍵部件。

對這種現象的解釋很難直觀地理解。它們對抗重力的能力是角動量的産物，角動量受到圓盤上扭矩的影響，就像重力一樣，使旋轉的圓盤或車輪産生陀螺進動。

這種現象也被稱為陀螺儀運動或陀螺儀力，它已經被證明對我們人類非常有用。這些術語指的是旋轉物體(不僅僅是陀螺儀)保持其旋轉方向的趨勢。

因此，旋轉的物體具有角動量，如前所述，這必須是守恒的。正因為如此，旋轉的物體傾向于抵制其旋轉軸的任何變化，因為方向的變化将導緻角動量的變化。

進動的另一個例子也發生在地球上。正如你所知，地球的旋轉軸實際上與垂直方向有一定的夾角，由于垂直方向的夾角，當旋轉軸旋轉時，垂直方向繞着一個圓。

雖然與本文無關，但地球奇怪傾斜的原因實際上非常有趣。

正如牛頓第二定律所預測的那樣，圓盤或車輪旋轉得越快，這種效應就越強。這對任何具有基本物理知識的人來說都是顯而易見的。

它們似乎抵抗重力的主要原因是施加在旋轉圓盤上的有效扭矩對其角動量矢量的影響。重力對旋轉盤平面的影響導緻旋轉軸“偏轉”。

這導緻整個旋轉軸在重力的影響和它自己的角動量矢量之間找到一個“中間地帶”。現在，請記住，陀螺儀裝置是被一些東西阻止的，比如你的手，框架/框架，或者桌子，阻止它向重心下落的。

現在，考慮到陀螺儀被某種東西阻止，不讓它向重心下落的事實，這導緻了我們在這些設備中看到的令人着迷的特性。

為了全面回答這個問題，我們需要評估每種設備的工作方式。既然我們已經在上面詳細介紹了陀螺儀，讓我們看看什麼是加速計以及它是如何工作的。

《韋氏詞典》将加速度計定義為“測量加速度或檢測和測量振動的儀器”。

很好，但這并沒有給我們很多信息。加速度計，從最基本的意義上來說，是一種測量加速度的機電設備，因此得名。

這些力可以是靜态的(如重力)，也可以是動态的(由移動或振動設備引起)。制作加速度計的方法有很多種，最常用的方法是利用壓電效應或傳感電容。

前者往往由微觀晶體結構組成，這些結構受到加速度的作用而産生電壓。後者利用兩個相鄰的微結構。

每一種結構都有一定的電容，當加速度移動其中一種結構時，它的電容會發生變化。通過添加一些電路将電容轉換為電壓，你将得到一個非常有用的小加速度計。

還有更多的方法，包括使用壓阻效應、熱氣泡和光，僅舉幾個例子。你可以看到，加速度計和陀螺儀是非常不同的東西。

從本質上講，兩者的主要區别在于，一個能感覺到旋轉，而另一個不能。由于陀螺儀的工作原理是角動量，所以它們非常适合用來指示物體在空間中的方向。

另一方面，加速度計隻能測量基于振動的線性加速度。

然而，也有一些加速度計的變化也包含了陀螺儀。這些裝置包括一個陀螺儀，它的一個軸上有一個重物。

當砝碼被加速時，該裝置會對砝碼産生的力做出反應，通過對該力進行積分來産生速度。

陀螺儀的另一種形式是光學陀螺儀。這種裝置沒有活動部件，通常用于現代商用噴氣客機、助推火箭和軌道衛星。

利用薩尼亞克效應，這些設備利用光束提供類似于機械陀螺儀的功能。1911年，弗朗茲·哈裡斯(Franz Harris)首次證明了這種效應，但正确地指出原因的是法國科學家喬治·薩尼亞克(Georges Sagnac)。

如果一束光在一個周邊有鏡子的旋轉平台上沿着封閉路徑分裂并向兩個相反的方向發送，然後光束重新組合，它們就會表現出幹涉效應。1913年，薩尼亞克得出結論，光的傳播速度與光源的速度無關。他還發現，盡管兩束光都在一個閉環内，但旋轉方向相同的光束到達起點的時間比另一束稍晚。一種‘條紋幹涉’模式(明暗交替的波段)被檢測到，它取決于轉盤的精确轉速”。

科學家們傾向于使用所謂的“右手法則”來形象化。

用你的右手做一個直角。然後你可以沿着車輪的半徑伸展你的手指。

如果你把手指的末端朝旋轉的方向彎曲你的拇指就會指向角動量的方向。基本上，輪軸将是整個車“想要”移動的方向。

陀螺儀有趣的特性為科學家和工程師提供了一些有趣的應用。它們在空間中保持特定方向的能力對于某些應用來說是不可思議的。

安裝一些傳感器，你就得到了一個有用的配方。考慮到這一點，這裡有一些在現代世界中使用陀螺儀的偉大例子。

1. 你會發現飛機上有很多陀螺儀

在現代飛機中，慣性制導系統充分利用了這些相對簡單的裝置。他們有一套旋轉陀螺儀來監測和控制飛行中的飛機方向。旋轉陀螺儀被放置在特殊的籠子裡，使它們能夠保持自己的方向，而不受飛機方向的影響。

陀螺儀籠子有電子觸點和傳感器，可以在飛機滾動或傾斜時向飛行員傳遞信息。這可以讓飛行員和導航系統“知道”飛機當前在空間中的相對方向。

2. 火星漫遊者也有幾個陀螺儀

火星漫遊者也有一套陀螺儀。它們為漫遊者提供了穩定性，并幫助導航。它們在無人機和直升機上也有應用，可以提供穩定性和幫助導航。

3.巡航導彈和彈道導彈也使用陀螺儀

陀螺儀的另一個有趣應用是用于巡航和彈道導彈的制導系統。自第二次世界大戰中德國的V-1和V-2導彈問世以來，陀螺儀傳感器就一直用于自動轉向和校正滾轉、俯仰和偏航。

通常，導彈為此目的将攜帶至少兩個陀螺儀，每個陀螺儀提供一個固定的參考線，從該參考線可以計算任何偏差。一個參考點往往包括垂直陀螺儀的自轉軸。從這個軸，俯仰、橫搖和偏航的偏差可以很容易地測量出來。陀螺儀也被用于火炮瞄準器、投彈瞄準器以及艦載火炮和雷達系統的平台。

4. 陀螺儀也可以在軌道航天器中找到

陀螺儀的另一個有趣的應用是用于軌道航天器的慣性制導系統。這樣的小型飛行器需要高度的穩定精度，陀螺儀非常适合這項工作。還有一些更大更重的裝置，稱為動量輪或反作用輪，它們也被用于一些更大的衛星的高度控制。

5. 《星球大戰:絕地歸來》的一部分是用陀螺儀拍攝的

在電影《星球大戰:絕地歸來》(以及許多其他電影)中，一種叫做“穩定器”的裝置被用于拍攝某些場景。這個裝置與幾個陀螺儀一起使用，在拍攝恩多上著名的飛車追逐場景的背景鏡頭時，可以使相機保持穩定。由加勒特·布朗發明，他操縱着這個裝置，以每秒一幀的速度穿過紅杉林。當鏡頭被加速到每秒24幀時，它給人一種高速穿越樹木的印象。

6. 你的手機可能也有一個

在過去的幾年裡，陀螺儀也在各種消費産品中找到了自己的方式。通過将它們包含在像智能手機這樣的手持設備中，可以以一種高度精确的方式确定3D空間中的運動。

在現代智能手機中，陀螺儀通常與加速度計結合使用，以提供出色的方向和運動感知。著名的例子包括三星Galaxy Note 4、HTC Titan、iPhone 5s等。

現代遊戲控制台也傾向于包含某種形式的陀螺儀，陀螺儀為玩電腦遊戲開辟了一種全新的方式。

7. 無人機

陀螺儀在我們日常生活中的另一個有趣應用是在無人機上。為了讓這些設備完美地飛行，它們需要陀螺儀，以及其他能夠懸停和水平飛行的設備。現代商用無人機傾向于使用三軸和六軸陀螺儀穩定器為飛行控制器提供導航信息，使無人機飛行更容易、更安全。盡管它們設計簡單，但它們已經成為從遠洋船隻到航天飛機，當然還有直升機等各種設備的必備配件。

總之，陀螺儀非常不可思議，即使你沒有意識到它們的存在。想到這樣一個簡單的設備可以有如此有趣和多樣的應用，真是令人驚訝。

雖然這些設備相對簡單，但它們具有奇妙的特性，科學家和工程師們利用這些特性讓我們的世界變得更美好。

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