История

Карданов подвес был впервые изобретён греческим инженером Филоном Византийским в III в. до н. э. В одном из своих трудов Филон описывает восьмигранную чернильницу с отверстиями на каждой стороне. Можно было перевернуть восьмигранник любой стороной кверху, но чернила не проливались. Секрет заключался в том, что чернильница находилась в центре хитроумно установленных концентрических металлических колец, поэтому она сохраняла устойчивость независимо от положения. Оригинальный текст Филона Пневматика, описывающий это применение карданова подвеса, существует в более позднем арабском переводе, сделанном багдадским халифом Мамуном (786—833).

После античности карданов подвес был широко известен в мусульманском мире. В IX веке, через 1100 лет после изобретения, устройство стало снова известно в Европе благодаря арабам. А ещё через 800 лет известный учёный Роберт Гук и другие изобретатели стали использовать этот принцип не для стабилизации центрального элемента, а для приложения внешних сил. Этому западному изобретению дали название универсального шарнира. Именно оно легло в основу механизма силовой передачи современных автомобилей.

Самое раннее упоминание этого устройства в китайской литературе относится к 140 г. до н. э. Предполагаемым изобретателем устройства считается Фан Фэн. Подвес Фан Фэна применялся в масляных лампах, в которых лампадка крепилась на кольцах, скрепленных в двух противоположных точках, что позволяло сохранять ей вертикальное положение. Принцип данного устройства был вскоре забыт.

Компас нового времени, использующий карданов подвес(1570)

В сочинении «Всесторонние записки западной столицы», изданном в 189 г., сообщается что создателем «курительницы для постели» с применением особого подвеса был Дин Хуань. После этого карданов подвес часто применялся в разных устройствах. Начиная с эпохи Сун с помощью карданова подвеса крепилось сиденье императора на паланкине, что позволяло сидеть ему вертикально, даже если носильщики наклоняли паланкин. В 18 в. китайские матросы с помощью подобного подвеса крепили компас.

На гироскоп, вращающийся с большой скоростью вокруг главной оси х, существенно не повлияет поворот основания карданового подвеса. Следовательно, направление, которое было придано главной оси гироскопа при его запуске, останется постоянным в пространстве. Это первое и основное свойство гироскопа иногда называют "устойчивостью" главной оси свободного гироскопа. Чем больше угловая скорость и масса ротора, тем сильнее выражено его свойство сохранять неизменным первоначальное направление своей оси в пространстве. Используя свободный гироскоп, можно проследить за суточным вращением Земли вокруг своей оси. В связи с тем что ось свободного гироскопа сохраняет неизменным свое первоначальное направление в пространстве, а Земля вращается, наблюдатель сможет увидеть, что ось гироскопа

поворачивается относительно Земли. Если главную ось свободного гироскопа направить на какую-либо звезду, то ось гироскопа, сохраняя направление на звезду неизменным, будет вместе с ней изменять свое положение, поскольку плоскости меридиана наблюдателя и истинного горизонта вращаются вместе с Землей. Измерение положения главной оси гироскопа относительно меридиана, и горизонта называется видимым движением.

Теперь приложим к свободному гироскопу постоянную силу F, которая будет стремиться повернуть его вокруг горизонтальной оси уу (рис. 3.6Б). Однако гироскоп не будет поворачиваться вокруг оси уу, а начнет поворачиваться вокруг оси zz в направлении, показанном стрелкой. Приложив к гироскопу силу, стремящуюся повернуть его вокруг вертикальной оси zz, увидим, что гироскоп начнет поворачиваться вокруг горизонтальной оси уу. Таким образом, под действием приложенной постоянной силы главная ось гироскопа будет поворачиваться не в направлении приложенной силы (как это было бы в случае невращающегося гироскопа), а в плоскости, перпендикулярной линии действия силы. Такое движение гироскопа называется прецессией и является вторым свойством гироскопа.

Прецессионное движение прекращается сразу же после окончания действия силы. Поэтому различные толчки и удары, которые передаются от корпуса судна на гирокомпас, вызывают прецессию, гироскопа только в течение своего действия, а так как оно кратковременно, то ось гироскопа практически остается в меридиане. Следовательно, толчки и удары не оказывают на гирокомпас почти никакого влияния.

У гирокомпаса, как и у всякого прибора, имеются погрешности. Вследствие погрешностей гирокомпаса гирокомпасный меридиан не совпадает с истинным меридианом на угол, называемый общей поправкой гирокомпаса. В связи с тем что общая поправка не является величиной постоянной, судоводитель обязан систематически определять общую поправку гирокомпаса навигационными, астрономическими и радионавигационными способами.

Устройство гирокомпаса. Рассмотрим основные узлы гирокомпаса типа "Курс", устанавливаемого на судах морского флота. Главной частью гирокомпаса является основной прибор (рис. 3.7А), в котором расположены чувствительный элемент - гиросфера, следящая сфера, внешние части основного прибора гирокомпаса, неподвижные относительно судна. Гиросфера (рис. 3.7Б) представляет собой герметическую сферу, внутри которой расположены два гиромотора, жидкостный успокоитель, реле выключателя ' затухания и катушка электромагнитного дутья. Корпус гиросферы состоит из двух латунных полусфер, облицованных снаружи эбонитом. Гироскопы или гиромоторы являются трехфазными электрическими двигателями с частотой вращения порядка 20 000 об/мин. Гиромоторы установлены на специальном кронштейне, который крепится к нижней полусфере.

Жидкостный успокоитель служит для гашения незатухающих колебаний чувствительного элемента. Катушка электромагнитного дутья уложена в нижней части гиросферы. При прохождении тока вокруг катушки образуются переменные магнитные поля, которые препятствуют опусканию гиросферы. Время непрерывной работы 2 тыс. ч при общем сроке службы 10 лет.

А). Б).

Рис. 3.7 А). основной прибор гирокомпаса, Б). внешний вид гиросферы

Изобретателем гирокомпаса считается немецкий инженер Ге́рман Аншю́тц-Ке́мпфе (1872— 1931). И хотя с момента изобретения они многократно усовершенствовались, гирокомпасы типа Аншютц-Кемпфе по сей день являются самыми популярными.

В "Новом Аншютце" гиросфepa диаметром 25 см с двумя гироскопами (двухгироскопная система в отношении качки несравненно устойчивее одногироскопной) свободно плавает в жидкости, трение о которую практически нулевое; снаружи она не касается никаких подпорок, стенок и т.д. К ней даже не подходят электрические провода: они ведь способны передавать какие-то механические усилия и моменты. Естественно возникает вопрос: от чего же в таком случае "питаются" электродвигатели гироскопов? Найденному решению этой проблемы никак не откажешь в остроумии: у гиросферы имеются выполненные из электропроводного материала "полярные шапки" и "экваториальный пояс". Против этих электродов в жидкости находятся аналогичные, но неподвижные электроды, к которым подключены фазы электропитания. Жидкость, в которой плавает сфера, - это спирт или вода, в которую добавлено немного глицерина для придания ей антифризных свойств и кислоты, делающей воду электропроводящей. Таким образом, трехфазный ток "подается" в гиросферу прямо через поддерживающую ее жидкость, а затем уже изнутри (по проводам) разводится к статорным обмоткам гироскопных двигателей. Свободно плавающая в жидкости гиросфера, если бы мы не знали, что она начинена гироскопами, могла бы показаться просто чудом: она упорно и с огромной точностью устанавливается одним из своих диаметров в направлении север-юг (по нанесенным на нее делениям моряки и определяют это направление). Впрочем, это чудо сродни чуду "самопроизвольной" ориентации магнитной стрелки, столь глубоко поразившему Эйнштейна, по его признанию, еще в раннем детстве.

Гиросфера гирокомпаса типа Аншютц - Кемпфе в разрезе

Основной компас устанавливают в отдельном помещении — гиропосту. Его показания с помощью репитеров передаются в рулевую и штурманскую рубки, на крылья мостика и в другие помещения, где устанавливаются приборы курсоуказания. Совместно с гирокомпасом работает курсограф — прибор, автоматически записывающий курсы судна.

Гирокомпасы используются для осуществления автоматического удержания судна на курсе при помощи специального прибора — авторулевого.

Преимущества гирокомпаса:

· в его показания нет необходимости вносить поправки на так называемое магнитное склонение (угол между магнитным и географическим меридианами);

· точность показаний гирокомпаса составляет около 0,1°, что выше показаний магнитных компасов;

· на показания магнитного компаса также влияют возмущения магнитного поля, вызываемые большими массами железа на корабле, а также различные электродинамические воздействия со стороны электрооборудования.

Недостатки гирокомпаса:

· сложность конструкции и необходимость в специальном обслуживании;

· большое количество вспомогательного электрооборудования лишает гирокомпас автономности, а для введения его в рабочее состояние необходимо некоторое время;

· в районе географического полюса Земли гирокомпас, как и магнитный компас в районе магнитного полюса, перестает указывать направление.

Все современные суда снабжаются магнитными компасами и гирокомпасами, что

позволяет взаимно контролировать работу этих приборов.

2. Важным применением гироскопа является создание гироскопического горизонта и вертикали (гирогоризонт и гировертикаль). Это необходимо в навигации в условиях отсутствия видимости линии горизонта. В отличие от обычных отвесов, на гироскопическую вертикаль не влияют ускорения, которые всегда имеют место в самолетах и кораблях при наборе скорости, поворотах, качке и т.д.

3. Свойство гироскопа сохранять неизменным направление своей оси вращения используется для управления движением самодвижущихся мин (торпед), самолетов, судов, ракет и прочих аппаратов. Ось вращающегося гироскопа задает курс движения аппарата. При всяком отклонении аппарата от курса (например, вследствие удара волн или действия порывов ветра) направление оси гироскопа в пространстве сохраняется, и посредством множества механических связей возвращает движение аппарата к заданному курсу. Автопилот самолета представляет собой систему двух гироскопов, один из которых – с вертикальной осью – задает эшелон полета, а второй – с горизональной осью, ориентированный вдоль оси самолета – задает его курс. Такими автопилотами, освобождающими летчика от необходимости непрерывного управления самолетом, оборудованы все современные самолеты, предназначенные для длительных полетов.