將一個(gè)陀螺放置在桌面上,它會(huì)向一個(gè)方向傾倒,但如果將其旋轉(zhuǎn)起來,它便能夠穩(wěn)穩(wěn)地立在桌子上,只要旋轉(zhuǎn)不止,它就不會(huì)傾倒。
一個(gè)旋轉(zhuǎn)著的陀螺的穩(wěn)定性與這個(gè)陀螺的轉(zhuǎn)速有著直接的關(guān)系,轉(zhuǎn)速越快,陀螺就越穩(wěn)。這是因?yàn)樾D(zhuǎn)著的物體都有一個(gè)轉(zhuǎn)軸,這個(gè)轉(zhuǎn)軸的方向是不容易輕易改變的,這是由旋轉(zhuǎn)物體的特性所決定的,轉(zhuǎn)動(dòng)速度越快,轉(zhuǎn)軸的方向便越難以改變。所以當(dāng)我們?yōu)橐粋€(gè)旋轉(zhuǎn)的陀螺提供一個(gè)支點(diǎn),那么這個(gè)陀螺便會(huì)豎直地在支點(diǎn)上轉(zhuǎn)動(dòng),轉(zhuǎn)軸始終指向上方,但是如果我們將旋轉(zhuǎn)的陀螺以一定的傾斜角度放置在這個(gè)支點(diǎn)上,它就會(huì)保持原有的傾斜角度在支點(diǎn)上轉(zhuǎn)動(dòng),同時(shí)陀螺本身還會(huì)圍繞支點(diǎn)做圓周運(yùn)動(dòng)。
根據(jù)陀螺的特性,人類設(shè)計(jì)出了另一個(gè)東西,那就是陀螺儀。
陀螺儀從外表看起來與陀螺很是類似,而實(shí)際上它也就是將一個(gè)旋轉(zhuǎn)著的陀螺安裝在了一個(gè)萬向支架上。由于轉(zhuǎn)動(dòng)著的陀螺的轉(zhuǎn)軸方向很難改變,所以不論我們?nèi)绾无D(zhuǎn)動(dòng)萬向支架,中心的陀螺都能夠始終保持穩(wěn)定,而不出現(xiàn)方向上的改變。這看起來似乎很是奇妙,但我們的古人其實(shí)早就制造出了類似的東西。如果你喜歡看一些古裝宮斗劇就會(huì)發(fā)現(xiàn),里面的妃嬪在冬天的時(shí)候總是掛著一個(gè)球形的鏤空暖爐,里面裝有炭火,這些炭火為什么不會(huì)傾瀉出來將人燙傷呢?
古代暖爐中的炭火之所以不會(huì)傾瀉出來,就是因?yàn)檫@個(gè)暖爐的結(jié)構(gòu)就是一個(gè)萬向支架,支架的中心裝有炭盆,無論外部的結(jié)構(gòu)如何晃動(dòng),里面的炭盆都能夠保持穩(wěn)定,所以炭火不會(huì)掉出。
我們所說的陀螺儀其實(shí)就是把球形暖爐中間的炭盆換成了陀螺。那么陀螺儀有什么用呢?它的作用就是測量物體的姿態(tài)。因?yàn)橥勇輧x中心的陀螺方向不會(huì)發(fā)生變化,所以當(dāng)我們將一個(gè)陀螺儀安置在一個(gè)物體之中時(shí),只需要測定陀螺儀外部支架與陀螺之間各個(gè)方向的角度,就可以測定一個(gè)物體的具體姿態(tài)了。在日常生活中,很多東西都需要用到陀螺儀,下到航海,上到航天,當(dāng)然還有我們的手機(jī)。
陀螺儀是智能手機(jī)不可或缺的一個(gè)重要部件,沒有陀螺儀,智能手機(jī)的多數(shù)功能基本無法實(shí)現(xiàn),因?yàn)楹芏喙δ芏夹枰_了解手機(jī)的具體姿態(tài)。
雖說手機(jī)少不了陀螺儀,但怎么看,我們的手機(jī)里都不像是裝備了這個(gè)東西,因?yàn)槭謾C(jī)內(nèi)部的空間實(shí)在是有限,似乎沒有安裝這個(gè)東西的地方。事實(shí)上如果我們將手機(jī)拆開,確實(shí)也看不到陀螺儀,這是怎么回事呢?手機(jī)中安裝的陀螺儀與剛才我們所講的陀螺儀并不相同,它雖然也叫做陀螺儀,但與陀螺就沒有什么關(guān)系了,從外觀上來看,它就是一個(gè)邊長只有幾毫米的黑色小方塊。
這個(gè)黑色的小方塊有著一個(gè)名字,叫做“微機(jī)電陀螺儀”。
微機(jī)電陀螺儀雖然也叫陀螺儀,但無論是外在還是內(nèi)在,都與陀螺沒有什么關(guān)系,它之所以能夠測定物體的姿態(tài),是利用了科里奧利力。科里奧利力是由法國氣象學(xué)家科里奧利所提出的,簡言之就是在一個(gè)旋轉(zhuǎn)的系統(tǒng)里,如果有一個(gè)直線移動(dòng)的物體,那么就會(huì)受到這個(gè)旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的影響,移動(dòng)路線發(fā)生偏轉(zhuǎn),變?yōu)橐粭l曲線。地球在自轉(zhuǎn),所以地球就是這樣一個(gè)旋轉(zhuǎn)系統(tǒng),由于地球自西向東旋轉(zhuǎn),所以在北半球,不論從哪個(gè)方向吹來的風(fēng),都會(huì)向右偏轉(zhuǎn),而在南半球則恰好相反,風(fēng)會(huì)向左偏。
明白了科里奧利力,就可以來說說微機(jī)電陀螺儀了。
微機(jī)電陀螺儀內(nèi)的主體就是一個(gè)質(zhì)量塊,這個(gè)質(zhì)量塊會(huì)在交替變化的電壓作用下做來回振蕩運(yùn)動(dòng),這種運(yùn)動(dòng)本質(zhì)上就是一種直線運(yùn)動(dòng),當(dāng)陀螺儀開始轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),受科里奧利力的影響,這個(gè)水平振蕩的陀螺儀就會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn),也就是說此時(shí)它不僅有水平運(yùn)動(dòng),還有垂直運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)方式的改變會(huì)使電容值發(fā)生微小的變化,而通過感知這種微小的變化就可以了解物體姿態(tài)的變化。當(dāng)然,單個(gè)微機(jī)電陀螺儀只能感知一個(gè)方向上的姿態(tài)變化,但在手機(jī)中裝上兩三個(gè),就能夠全方位準(zhǔn)確識(shí)別手機(jī)的姿態(tài),畢竟這個(gè)東西很小,也不占什么地方。
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