在平静的桌面上放置一个陀螺,它会向某一侧微微倾倒,然而一旦旋转起来,便能够安稳地站在桌面之上,只要旋转不停止,它就能保持平衡。
陀螺的稳定性与其旋转速度有着密切的关联。旋转速度越快,陀螺的稳定性就越高。这是因为旋转的物体都有一个不易改变方向的转轴,这是其固有的特性。当陀螺高速旋转时,转轴的方向更加难以改变。当为旋转的陀螺提供一个支点时,它便会竖直地围绕该支点转动,转轴始终向上。若以一定的倾斜角度放置在支点上,它则会保持这个倾斜角度进行转动,并围绕支点做圆周运动。
受到陀螺特性的启发,人类发明了陀螺仪。
陀螺仪从外观上看与陀螺相似,但实际上是利用了一个万向支架将一个旋转的陀螺固定住。由于陀螺的转轴方向稳定不易改变,无论万向支架如何转动,中心的陀螺都能保持稳定的方向。这一现象虽然看似神奇,但在古代,人们已经利用相似的原理制造了其他物品。
在古代的宫斗剧中,观众可能会注意到妃嫔们使用的镂空暖炉。这些暖炉中的炭火不会倾来伤人,正是因为其结构类似于一个万向支架,的炭盆无论外部如何晃动都能保持稳定。
而今所说的陀螺仪,其实质是将暖炉中的炭盆替换为陀螺。那么陀螺仪有何用途呢?它主要用于测量物体的姿态。因为陀螺仪中心的陀螺方向不会变化,所以通过测定陀螺仪外部支架与陀螺之间各方向的角度,就可以确定物体的姿态。
在日常生活中,无论是航海、航空还是我们手中的智能手机,都能见到陀螺仪的身影。在智能手机中,陀螺仪扮演着不可或缺的角色。虽然手机的功能繁多,但许多功能都需要精确了解手机的具体姿态,这便离不开陀螺仪的帮助。
尽管手机中安装了陀螺仪,但由于手机内部空间有限,我们很难直接观察到它的存在。事实上,手机中的陀螺仪是一种微机电陀螺仪。
这个微机电陀螺仪是一个边长仅几毫米的黑色小方块。尽管它的外观小巧,但它却能利用科里奥利力来测定物体的姿态。
科里奥利力是由法国气象学家科里奥利提出的理论。简单来说,在一个旋转系统中,直线运动的物体将受到该系统旋转的影响,使移动路线发生偏转,变为曲线运动。地球的自转便形成了一个这样的旋转系统。在北半球,无论从哪个方向吹来的风都会向右偏转。
理解了科里奥利力的原理后,就不难理解微机电陀螺仪的工作原理了。
微机电陀螺仪的主体是一个质量块,这个质量块在交替变化的电压作用下进行来回振荡运动。这种运动本质上是一种直线运动。当陀螺仪开始转动时,受科里奥利力的作用,水平振荡的陀螺仪会发生偏转。这意味着此时它不仅进行水平运动,还进行垂直运动。这种运动方式的改变会导致电容值发生微小变化,通过感知这种变化便能了解物体姿态的变化。
虽然单个微机电陀螺仪只能感知一个方向上的姿态变化,但在手机中安装两三个便可全方位准确识别手机的姿态。
无论是古代的暖炉还是现代的微机电陀螺仪,都体现了人类对平衡和稳定性的探索与利用。
科技的进步让我们能更深入地理解并应用这些原理,为我们的生活带来更多的便利与可能性。