陀螺儀的秘密

肖芮

現代社會智能手機早已成為我們生活中不可分割的一部分，如果你仔細檢查手機的硬件配置，就會發現幾乎每一部手機都配置了陀螺儀，什么是陀螺儀？它有著什么作用呢？

歷史悠久的陀螺

提到陀螺儀你可能會感到有點陌生.但說到陀螺，你一定不陌生，你一定見過或者玩過簡單的只需要用食指和拇指夾住頂端.用力一搓，便可以在地上高速旋轉的手捻陀螺.或者用繩子纏繞，然后將其拋出，并用鞭子抽打以保持其直立旋轉的木制陀螺.陀螺是我國民間最早的娛樂工具之一，早在四五千年前，在我國山西夏縣新石器時代的遺址中.就發現了石制陀螺.18世紀由中國傳到歐洲的新奇玩具“竹片蜻蜓”曾被西方人稱為“中國陀螺”，因為在英語中陀螺有“回旋體”的意思，竹片蜻蜓是在空中進行回旋，所以竹片蜻蜓也被認為是陀螺的一種.

陀螺儀的產生

我們將繞一個支點高速轉動的剛體稱為陀螺，剛體是指在運動和受力作用時.其形狀和大小不變的物體.我們知道，任何物體在受到力的作用后，都會產生形變，所以真正的剛體是不存在的.如果物體形變程度極為微小.我們就可以忽略不計，這里說到的剛體其實是一種理想模型.陀螺儀簡單來說就是將一個高速旋轉的陀螺放到一個萬向支架上面.旋轉軸所指的方向在不受外力影響時.是不會改變的（如圖1）.人們根據這個道理，用它來保持方向。

其實，萬向支架最早是由我國古人創造的.并被應用于被中香爐中，被中香爐最早記載于《西京雜記》，我國古人喜歡用香爐來熏香或取暖，于是能工巧匠制成了結構類似于陀螺儀的銅制容器，在里面放上香料或炭火，置于被中.不論香爐在被子里如何翻滾，爐口都能水平，絲毫不用擔心炭火會傾覆.被中香爐的球形外殼和位于中心的半球形爐體之間有兩層或三層同心圓環，爐體與每層圓環間各有兩根短支撐軸相連，這些短支撐軸相互垂直，使爐體和每層圓環可以自由轉動，這種支撐爐口的支架就被稱為萬向支架.即無論爐口是上下、左右、前后翻滾，萬向支架總能使爐口保持水平（如圖2）.

雖然是中國人最早發明了萬向支架.可中國人卻并沒有將萬向支架應用于科學研究中，最早真正把萬向支架用在現代科學研究中并作出重要發現的是法國物理學家萊昂·傅科，傅科在1850年提出利用高速旋轉的陀螺來驗證地球的自轉.因為旋轉的陀螺有保持旋轉軸方向不變的性質，所以他將陀螺放在萬向支架上.將支架置于地面上.由于地球的自轉，經過一段時間，陀螺的旋轉軸就與地球的自轉軸保持一致.因此可以明顯地說明地球的自轉，傅科利用他發明的傅科擺和這種陀螺儀有力地證明了地球的自轉，從此，萬向支架又被稱為“陀螺支架”.

陀螺儀的廣泛應用

陀螺儀最早被用于航海中，幫助船員進行導航，隨著科技的發展，從導彈、衛星等國防科技事業，到油田鉆井、礦山挖掘等國民經濟事業，與我們息息相關的航海、航空、汽車等交通方式.甚至是我們每個人正在使用的手機，都涉及陀螺儀的運用.

陀螺儀一般可以作為指示儀表、穩定器，甚至精密測試儀器來使用，作為指示儀表，陀螺儀可以在自動控制系統中作為敏感元件傳遞信號.提供準確的方位、速度和加速度等信號，使飛機能夠按照一定的航線航行，不會偏離軌道.作為穩定器.陀螺儀可以減少船舶在風浪中的搖擺：穩定飛機或衛星上的相機，減少抖動等.作為精密測試儀器，陀螺儀能夠為導彈發射、石油鉆井、隧道挖掘等提供準確的測試數據.

最早的陀螺儀都是機械式的.里面有一個高速旋轉的陀螺，后來為了提高測量精度.又出現了激光陀螺儀、光纖陀螺儀及微機電陀螺儀等，雖然這些東西也被稱為陀螺儀.但是它們的原理和傳統的機械陀螺儀已經完全不同.主要是利用激光和電流的變化來獲取信息.完成相應的功能，由于微機電陀螺儀價格低廉，所以發展迅速，應用廣泛，手機中用的就是這種陀螺儀.而在航空航天這種對精度要求比較高的領域.則大多使用的是激光陀螺儀.

最后，你一定想知道陀螺儀在手機中起到什么作用.當我們在拍照時，就會運用手機上的陀螺儀來進行穩定，盡量避免由于手的抖動而造成的照片模糊不清：當我們在手機上進行賽車或飛行類游戲體驗時.可以通過左右晃動手機屏幕.來控制賽車或飛行的方向，從而達到良好的游戲體驗：當我們利用手機導航時.由于行駛于隧道或者城市高大的建筑附近時，無法收到GPS信號，就可以通過陀螺儀來測量汽車的偏航或直線運動位移.從而繼續導航.

從陀螺的發明到萬向支架的應用，再到兩者的結合，最后到新型陀螺儀的發明，正是科技的進步.使陀螺儀改變了我們的世界.

責任編輯 林洋