陀螺(物理學術語)

陀螺（gyroscope; gyro）是指工程中具有固定點的、繞對稱軸做高速 自轉的對稱剛體。其自轉軸稱為陀螺主軸。由於支承形式、剛體形狀和質量分布的不同而有各種形式的陀螺。陀螺的轉速高，所以它具有一些特殊的動力學特性。

支點和剛體的質心重合的陀螺稱為平衡陀螺。否則稱為重力陀螺。剛體質量均勻分布，且以其幾何對稱軸作自轉軸的陀螺稱為對稱陀螺。在這種情況下，剛體對於支點的慣量橢球稱為旋轉橢球，剛體對於對稱軸的轉動慣量稱為極轉動慣量；剛體對於另兩個過支點的慣量主軸（見慣量張量 ）的轉動慣量稱為赤道轉動慣量。 陀螺是一個繞支點運動的剛體，所以剛體的定點運動的運動學和動力學方程都適用於陀螺。

基本介紹

• 中文名：陀螺
• 外文名：gyroscope; gyro
• 學科：力學
• 特徵：繞對稱軸高速自轉的對稱剛體

發展簡史

18世紀歐拉建立的動力學方程和歐拉運動學方程，為陀螺運動的理論奠定了基礎。但是製造出一個實用的陀螺卻經歷了長時間的探索。19世紀中期，隨著鋼製外殼船舶的出現，原來所用的磁羅盤不再適用，因而用陀螺導航的要求日益迫切。在第一次世界大戰中，美國海軍製成了陀螺導航儀，並很快被其他國家所採用。隨著航海和航空事業的發展，陀螺儀已成為不可缺少的精密導航儀器。20世紀初出現了飛機的陀螺穩定器和自動駕駛儀。但直到1940年後，陀螺羅盤才完全代替了磁羅盤，1950年出現了慣性導航系統。
不論製造得多么精密的陀螺，要完全消除軸承的摩擦力並使質心和支點重合是不可能的，因而就會產生外加干擾力矩的作用，引起陀螺轉子自轉軸的緩慢進動，稱為陀螺漂移。這時的進動角速度稱為漂移角速度。陀螺漂移角速度的大小是衡量陀螺精度高低的標誌。為最大限度地減少漂移，近代陀螺的研究課題主要是如何實現無干擾力矩的支承。主要途徑是用電場力來代替支架，實現無支承懸浮。如果轉子是個標準的球形，則電場力通過其中心，從而實現無摩擦的懸浮。另一個途徑是用磁場力來實現轉子的懸浮，但要求轉子必須是用超導體製造的，才能使磁力線垂直於球形轉子的表面且不穿透它的表面。這就是近代電陀螺和磁陀螺的基本構想。

力學特性

由於陀螺具有定軸性、進動性等力學特性（見陀螺力學），因而可製成陀螺儀、陀螺穩定器，導航平台等裝置，用於不同的工程技術領域。從力學上看，陀螺的含義更為廣泛。高速自旋的炮彈在飛行中並無固定點，但其相對質心的運動就是典型的陀螺運動，依靠了陀螺的穩定性才不致翻跟斗。

高速自轉的三自由度陀螺的自轉軸具有穩定性，這就是陀螺運動的穩定性，是陀螺運動的又一個力學特性。

套用

大型電機轉子的轉動軸受到軸承約束，但在轉軸變形時，轉動軸可在空間改變方向，伴隨產生的陀螺效應將改變轉子的臨界轉速。地球繞南北極軸自轉，自轉角速度極為緩慢，但因自轉動量矩十分巨大，因此地球也是一個內充液體外帶氣圈的大陀螺。地球南北極軸在星空的指向也以25,800年為周期緩慢改變，稱為歲差。太空飛行器為了穩定與控制自己的姿態運動，常在內部安裝動量飛輪（一個或三個），稱為陀螺體衛星。因此，只要能繞某軸轉動，而此軸又可繞某匯交軸轉動的剛體或準剛體，一般都可稱為陀螺。

使陀螺的轉子作慣性轉動的陀螺儀可實現慣性導航。但是由於地球本身的自轉，這種陀螺的轉軸並不指向地球上的某個固定方向。用於導航上的陀螺它的自轉軸應一直指向北方，因此必須給陀螺加上一個同地球的自轉角速度相等的進動角速度，並使外環軸和轉子的自轉軸永遠處於子午面內。這種始終指向地球北方的陀螺裝置稱為陀螺羅盤。同樣也可以製造用於表征飛機姿態的各種專用陀螺。