[科普中國(guó)]-陀螺儀

最近流行一種可旋轉(zhuǎn)的指尖陀螺，它的玩法很簡(jiǎn)單，只需要幾根手指就能讓其旋轉(zhuǎn)。有人評(píng)價(jià)說(shuō)玩這種游戲可以減壓，但是陀螺本身卻有更強(qiáng)大的作用——“變身”陀螺儀，當(dāng)工廠機(jī)器人開(kāi)始工作時(shí)，當(dāng)使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)[1]播放電影時(shí)，都可以發(fā)現(xiàn)它的身影。

“陀螺”這個(gè)術(shù)語(yǔ)最早是由法國(guó)物理學(xué)家博科[2]提出的，在英語(yǔ)中它是沿軸“回轉(zhuǎn)體”的意思，這樣看來(lái)，雜技中的轉(zhuǎn)碟、耍盤(pán)子，還有天體的自轉(zhuǎn)等也是一種陀螺。

最早在山西夏縣西陰村仰韶文化遺址[3]中出土過(guò)一個(gè)陶制的小陀螺。

后魏晉時(shí)期[4]人們喜愛(ài)“獨(dú)樂(lè)，宋朝的嬪妃宮女們善長(zhǎng)打“千千“，陀螺上半部分多為圓柱體，下半部分成一個(gè)倒立的圓錐，圓錐的頂尖作為旋轉(zhuǎn)軸心。大陀螺用一根長(zhǎng)繩纏繞住，再把它拋擲在地上，陀螺就快速旋轉(zhuǎn)起來(lái)，小的用手捻動(dòng)使其旋轉(zhuǎn)。繼而在漫長(zhǎng)的五千年歲月里陀螺一直飛快地旋轉(zhuǎn)著，通過(guò)文化交流傳到伊拉克（巴格達(dá)出土公元前3500年 陶土）、古埃及（公元前2000-1400年 木雕）、古希臘（底比斯公元前1250年 陶土）、古羅馬等地[5]，以至于成為近代體育競(jìng)技中的一項(xiàng)，它就這樣一直快樂(lè)的旋轉(zhuǎn)下去。乃至后來(lái)還出現(xiàn)了許多其他的娛樂(lè)玩具例如竹片蜻蜓，竹片蜻蜓的兩扇葉片在空中沿軸桿回轉(zhuǎn)。

翩躚飛舞腳下堅(jiān)，目標(biāo)定位不會(huì)偏。機(jī)械陀螺儀發(fā)明最早，是由兩種物品的結(jié)合體：民俗玩具陀螺和我國(guó)古代的萬(wàn)向支架也被后世人稱(chēng)為卡丹環(huán)[6]，人們根據(jù)一個(gè)旋轉(zhuǎn)物體的旋轉(zhuǎn)軸所指的方向在不受外力影響時(shí)不會(huì)改變方向的道理而定義[7]。

陀螺儀在科學(xué)領(lǐng)域的“存在感”越來(lái)越強(qiáng)大，意大利人?！たǖぶZ[8]最先制造出陀螺平衡儀應(yīng)用于航海。1852年法國(guó)人傅科[9]將高速旋轉(zhuǎn)的剛體組裝在導(dǎo)彈的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中，1908年美國(guó)人埃爾默·安布羅斯[10]將陀螺應(yīng)用于飛機(jī)盲飛的自動(dòng)穩(wěn)定器上。1962年美、英、法、前蘇聯(lián)開(kāi)始研制用激光作為方向測(cè)量器，1963年美國(guó)佩斯里公司率先研制出激光陀螺儀。1974年美國(guó)官方參與研制激光陀螺儀并制定計(jì)劃，此后廣泛應(yīng)用在航空航天、航海、戰(zhàn)車(chē)定位等方向。科學(xué)家們甚至將吸鐵石和陀螺放在一起，研制成磁懸浮控制力矩陀螺（MSCMG）技術(shù)，這一技術(shù)也是未來(lái)航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展的一個(gè)前沿科技。

也許這時(shí)候你要問(wèn)：“陀螺轉(zhuǎn)動(dòng)為什么不倒？”這個(gè)問(wèn)題我可以簡(jiǎn)單理解為角動(dòng)量守恒[11]的情況下兩個(gè)基本特性進(jìn)動(dòng)性和穩(wěn)定性，要么就是小鞭子抽得根本停不下來(lái)，這樣陀螺仿佛有了記憶功能，一直知道“初始方向”并跟蹤地理子午面[12]。其實(shí)這個(gè)問(wèn)題早在十七世紀(jì)，陀螺問(wèn)題被稱(chēng)為“數(shù)學(xué)水妖”[13]，至今這一問(wèn)題的科學(xué)家們?nèi)匀焕酶鞣N方法進(jìn)行論證，有一部分人純粹利用力與運(yùn)動(dòng)的角度闡釋?zhuān)€有一部分人從橢圓積分中的阿貝爾函數(shù)搭建描述，工程機(jī)械人士似乎更樂(lè)意理解為剛體（轉(zhuǎn)子）繞定點(diǎn)（定子）轉(zhuǎn)動(dòng)。甚至高深的物理學(xué)家們將陀螺比作俯視的銀河系——沙陀螺。

只是近代陀螺儀已經(jīng)發(fā)生了本質(zhì)變化，科學(xué)家利用光電信號(hào)進(jìn)行模擬，使陀螺儀縮小到藥片大小，甚至美國(guó)科學(xué)家研制出世界上最小的光學(xué)陀螺儀比一粒米還小[14]。

我們生活中常見(jiàn)的幾款陀螺儀有機(jī)械陀螺儀、iMEMS（IntegratedMicroElectroMechanicalSyste集成微電子機(jī)械系統(tǒng)）陀螺儀、MEMS微機(jī)電陀螺儀、光纖陀螺儀和激光陀螺儀等。

iMEMS，在導(dǎo)航方面發(fā)揮作用很大例如記步手環(huán)和智能手表等，小米手環(huán)就使用過(guò)ADXRS系列中的ADXL362陀螺儀。角速度傳感器，例如各種電動(dòng)平衡車(chē)，可以利用類(lèi)似汽車(chē)車(chē)體安裝的精密固態(tài)陀螺儀(Solid-State Gyroscopes)，維持自主平衡。來(lái)自瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院（ETH）動(dòng)態(tài)系統(tǒng)與控制研究的小組創(chuàng)造出一個(gè)可以隨意翻轉(zhuǎn)、不會(huì)摔倒的立方體機(jī)器人，叫做Cubli。該機(jī)器人有三個(gè)內(nèi)置的轉(zhuǎn)輪，它們沿著不同的軸調(diào)整轉(zhuǎn)速和角動(dòng)量[15]，保持立方體的平衡。麻省理工學(xué)院（MIT）的一個(gè)研究小組將 Cubli 更加小型化，并且通過(guò)磁性的邊緣鏈接起來(lái)，組成了一個(gè)能夠變形的機(jī)器人 “M-blocks”[16]。

微機(jī)電陀螺儀MEMS一般會(huì)用在手機(jī)等電子產(chǎn)品上，通常有兩個(gè)方向的可移動(dòng)電容板，由電容的變化可以計(jì)算出角速度[17]，通常電子產(chǎn)品里使用陀螺儀、加速度計(jì)和磁傳感器增加精確度。

光纖陀螺儀的原理是利用光程的變化檢測(cè)出兩條光路的相位差[18]，就可以測(cè)出光路旋轉(zhuǎn)角速度，主要用于航空，航海，航天和國(guó)防工業(yè)和農(nóng)業(yè)領(lǐng)域。

激光陀螺儀的原理是利用光程差來(lái)測(cè)量旋轉(zhuǎn)角速度，主要用于航空、航天、國(guó)防等高端領(lǐng)域。

作為導(dǎo)航與制導(dǎo)的一個(gè)重要部件，陀螺儀已經(jīng)更加精密，即可以應(yīng)用到衛(wèi)星上，也可以應(yīng)用到天宮實(shí)驗(yàn)室上，名字叫做控制力矩陀螺（CMG）[19]，是航天器在太空調(diào)整的執(zhí)行部件，在天宮二號(hào)資源艙里共安裝了6個(gè)陀螺，被稱(chēng)作國(guó)產(chǎn)研制的“定海神針”，也是神州飛船與天宮對(duì)接時(shí)的定位器。

因?yàn)樵S多交通工具需要更精確的定位，例如一些船艦會(huì)使用GNSS/SINS[20]組合導(dǎo)航測(cè)速定位技術(shù)完成測(cè)量。又因?yàn)橥勇輧x自身特點(diǎn)無(wú)法計(jì)算交通工具加速的數(shù)據(jù)，需要加速度計(jì)等組件互補(bǔ)。面對(duì)越來(lái)越繁復(fù)的技術(shù)工具，陀螺儀幾乎不會(huì)被人識(shí)別到，已經(jīng)化身為其中一個(gè)組件，默默地發(fā)揮著作用。

一支小小的陀螺，穿越歷史千年迷霧，娛悅我們的生活。陀螺儀器問(wèn)世大半個(gè)世紀(jì)，越發(fā)精密而初衷未改，方便我們的生活。毫無(wú)疑問(wèn)，陀螺儀將在中國(guó)的流水線上量產(chǎn)，在未來(lái)的科學(xué)技術(shù)上繼續(xù)發(fā)揮作用。

參考資料（摘要）：

1.《高中地理教學(xué)參考書(shū)》（上冊(cè)必修）人民教育出版社

2.《不可不知的中華民俗常識(shí)》 江蘇鳳凰美術(shù)出版社

3.全日制普通高級(jí)中學(xué)教科書(shū)（選修）《中國(guó)古代史》人民教育出版社

4.《精確制導(dǎo) 武器技術(shù)應(yīng)用向?qū)А穱?guó)防工業(yè)出版社 付強(qiáng) 何俊等編著

5.中國(guó)大百科全書(shū)數(shù)據(jù)庫(kù)相關(guān)詞條

[1] VR是一種全新的人機(jī)交互系統(tǒng)，特點(diǎn)是：計(jì)算機(jī)生成的是一個(gè)給人多種感官（視、聽(tīng)、觸覺(jué)）刺激的虛擬環(huán)境；虛擬世界給人身臨其境感（沉浸感）；用戶能以自然方式與虛擬對(duì)象進(jìn)行交互操作。出處《中國(guó)大百科全書(shū)》（第二版）。

[2] 傅科，J.-B.-L. Jean-Bernard-Léon Foucault,1819-1868年，傅科演示地球有自轉(zhuǎn)的這種單擺后稱(chēng)為傅科擺。他還用陀螺儀證實(shí)了地球的自轉(zhuǎn)。出處《中國(guó)大百科全書(shū)》（第一版）。

[3] 中國(guó)黃河中游地區(qū)的新石器時(shí)代文化。因最早發(fā)掘的河南省澠池縣仰韶村遺址而得名。出處《中國(guó)大百科全書(shū)》（第一版）。

[4] 自東漢末年建安元年（196）曹操遷獻(xiàn)帝于許昌，到隋文帝開(kāi)皇九年（589）歷時(shí)394年，史稱(chēng)魏晉南北朝。出處《中國(guó)大百科全書(shū)》（第一版）。

[5] 摘自網(wǎng)絡(luò)資源www.douban.com 郁則撰寫(xiě)網(wǎng)文《陀螺小史（古代篇）》。

[6] 這種連鎖環(huán)保持中心處東西直立的裝置通常被稱(chēng)為"卡丹環(huán)"，是以公元16世紀(jì)意大利科學(xué)家杰羅姆·卡丹的名字命名，但是中國(guó)人的發(fā)明比他早了1700年。出處360百科 卡丹環(huán)詞條。

[7] 機(jī)械陀螺儀的定義。

[8] 同注腳6

[9] 同注腳2

[10]埃爾默.安布羅斯.斯佩里（Elmer Sperry），（1860-1930）發(fā)明家，在他的四百項(xiàng)發(fā)明專(zhuān)利中，最著名的要算他在1896-1910年之間研制的陀螺羅盤(pán)了。旋轉(zhuǎn)的陀螺儀保持平面旋轉(zhuǎn)，并且不讓其轉(zhuǎn)離平面。出處360百科 斯佩里詞條。

[11] 物理學(xué)的普遍定律之一。反映質(zhì)點(diǎn)和質(zhì)點(diǎn)系圍繞一點(diǎn)或一軸運(yùn)動(dòng)的普遍規(guī)律。出處360百科 角動(dòng)量守恒定律詞條。

[12]通過(guò)地面點(diǎn)包含地球南北極的平面。出處360百科 子午面詞條。

[13]"數(shù)學(xué)水妖"問(wèn)題就是剛體繞定點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)問(wèn)題。參考索菲·柯瓦列夫斯卡婭（1850-1891）俄國(guó)女?dāng)?shù)學(xué)家、作家、政論家。萊昂哈德·歐拉（LeonhardEuler，1707年4月15日－1783年9月18日），瑞士數(shù)學(xué)家和物理學(xué)家，近代數(shù)學(xué)先驅(qū)之一。出處360百科相關(guān)詞條。

[14] 新華網(wǎng)《科學(xué)家研制出比米粒還小的光學(xué)陀螺儀》2018-10-29文。

[15] 描述物體提轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)的物理量。如質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量為m，速度為v，它關(guān)于o點(diǎn)的矢量為r，則角動(dòng)量為mv。出處《中國(guó)大百科全書(shū)》（第一版）物理學(xué)。

[16] 參考自東方竹馬〉《社科政教人文歷史》〉《史上最神奇的立方體！推不倒、自翻身、自重組！》2016-8-28網(wǎng)文。

[17] 角速度的單位的弧度/秒，即1/秒。出處《中國(guó)大百科全書(shū)》（第二版）。

[18] 正弦信號(hào)經(jīng)過(guò)不同的時(shí)間或不同的網(wǎng)絡(luò)后可以有不同的相位。通常所謂的相位測(cè)量是指對(duì)兩個(gè)同頻率信號(hào)之間相位差的測(cè)量。出處《中國(guó)大百科全書(shū)》（第一版）電子學(xué)與計(jì)算機(jī)。

[19] 參考《中國(guó)航天》雜志2016年第11期《天宮飛天的“定海神針”——記天宮二號(hào)控制力矩陀螺》作者王一琳。

[20] 全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)是基于衛(wèi)星的導(dǎo)航系統(tǒng)，可提供高精度的定位、測(cè)速和授時(shí)數(shù)據(jù)，具有全天候、全球覆蓋和誤差無(wú)積累等優(yōu)點(diǎn)。捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（SINS）做為重要的導(dǎo)航設(shè)備在航天、航空、航海和陸地導(dǎo)航中已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。