Гироскоп, от греческого: gyreuo «кружусь» + skopeo «смотрю».
Откройте любую книгу где рассказывается о каких-то там гироскопах, везде и всюду начинается: ротор (диск тяжёлый), ось и он ротор крутится и никак не остановится?! А всё мол, это гироскоп! И понеслась душа в рай... А ведь в принципе всё что вращается и есть гироскоп со всеми гироскопическими эффектами. Будь то: винт вертолёта, колесо велосипеда, дрель, миксер и прочее... И везде присутствует этот самый гироскопический эффект (эффекты)!
А эффект, это чё?! Вот так сразу и не скажешь, не показав всё это, конечно? На моих иллюстрациях присутствуют картинки из учебного фильма «Гироскоп и его применение, 1979 г.», снятого на Киевской студии научно-популярных фильмов. Если кого-то очень заинтересует тема, вот адресок в Ютюбе: https://www.youtube.com/watch?v=_FQG6YohbI4 Там же ещё существуют видео в тему!
На рис2 Вы видите устройство того самого гироскопа. Ось ротора (диска) вращается в подшипниках закрепленных во внутреннем кольце. Само же кольцо в свою очередь может вращаться во внешнем кольце. А уже оно вращается на стойке. Вся эта конструкция называется гироскоп в кардановом подвесе (существуют и другие способы подвеса). Что такое кардан думаю знают все водилы, за исключением разве, что общеизвестных и тупых «блондинок»!
Первый эффект. Если раскрутить ротор, то при изменении наклона стойки прибора вращающийся ротор гироскопа останется в своём первоначальном положении. И только при продолжительном вращении земли ротор гироскопа будет медленно (для окружающей обстановки) поворачиваться, сохраняя первоначальное положение в инерциальном пространстве рис6. Таким вот опытом французский физик Леон Фуко в 1852 году доказал, что земля всё-таки вертится (вращается)! Такое свойство (эффект) гироскопа положило начало для разработки гироскопического компаса (указателя направления). А действительно, если прямо в пункте отправления выставить нужное направление, то гироскоп будет сохранять его длительное время. Но всё же лучше если бы он (гироскоп) работал компасом.
Второй эффект называется прецессия. Что это такое? Если наш ротор гироскопа не вращается, то при любом воздействии на любую точку гироскопа, ротор послушно повернётся под действием силы. Но совсем другое поведение его будет при вращающемся роторе. Посмотрите на рис1. В ободе роторе выделим параллелепипед D. Стрелочка на ободе показывает направление вращения ротора. Для нас это будет по часовой стрелке. Допустим на выделенный параллелепипед D действует сила F1 (О1-А). В тоже время на него же действует сила вращающая ротор в направлении (О1-С). При сложении этих двух сил получается результирующая сила (О1-B), направленная так, что под её воздействием ротор начинает поворачиваться вокруг оси Z, в направлении показанной стрелкой. Если сила начнёт действовать в противоположном направлении, то и ротор начнёт вращаться в противоположную сторону.
А, что произойдёт если мы направим силу F2 в направлении оси Х? Разложив силы по «полочкам» получим также как и в предыдущем случае результирующую силу. Она в этом случае начнёт поворачивать ротор вокруг оси Х. Если силу применять долго, то ось ротора успокоится только после установки её вертикально!
На рис2 показаны стрелочками все направления. Подвешенная к краю внутреннего кольца гиря Р (красная стрелка) пытается повернуть внутреннее кольцо с осью ротора. Возникшая прецессия при направлении вращения ротора (зелёная стрелка) начнёт поворачивать весь гироскоп в направлении голубой стрелки.
На рис3,4 и 5 последовательно показано поведение гироскопа при воздействие сил на внешнее кольцо подвеса. В нашем же случае внешнее кольцо жёстко привязано к вращающейся платформе, и небольшой пластинке с пружинами. Пружины в свою очередь связаны с небольшими уголками прикрепленными к внутреннему кольцу подвеса. На рис3 система находится в равновесии (ротор гироскопа вращается). На рис4 платформа с гироскопом вращается по направлении стрелки. При взгляде сверху-вниз против часовой стрелки. И пока происходит вращение будет вот такая картина. От наклона ротора одна пружина сжата, а другая растянута. На рис5 казалось бы та же самая, но?.. Та же, да не та же?! Во-первых направление платформы поменялось на обратное (по часовой стрелке). И чтобы у Вас не появилось сомнение (в разности картин), обратите внимание на жёлтые кружочки, «чёрные метки» и находящиеся рядом с головками винтов крепления. Если Вы сохранили всё это в сознании, обратите внимание на то, что пружина находящаяся вблизи винта и жёлтого кружочка на рис5 растянута, а на рис4 сжата! Смена поворота платформы заставляет менять направление оси ротора в вертикальной плоскости. А, что будет если если все эти пружины убрать? Ротор мгновенно (при вращении платформы конечно) встанет на «дыбы»! В смысле ось будет направлена вверх. При смене направления вращения платформы, ротор перевернётся и уставится осью вверх, но уже другим концом! На таком принципе можно создать устройство сигнализирующее о изменение направления самолёта (корабля) путём поворота. В автопилот придёт сигнал и он примет все меры, чтобы выправить ситуацию.
На рис7 показано (в упрощённом виде) работа гирокомпаса с эффектом прецессии с учётом применения груза подобного рис2. Здесь ротор как бы помещён в защитный кожух и там внутри вращается (направление вращения на рис7-IV). Снизу кожуха прикреплен грузик рис7-3. При положении I гироскоп находится как бы на экваторе и перпендикулярно касательной плоскости. Случайным образом ось ротора параллельна той же касательной плоскости. Вес грузика направлен вниз и не оказывает на ось ротора никакого воздействия. Но вот земля с течением некоторого времени повернулась и гироскоп оказался в положение II. Что произошло?
Если в первоначальном положении центр тяжести ротора и грузика находились на одной прямой с центром земли, то грузик естественно не оказывал на ротор влияния. Но в положение II ротор продолжал держать первоначальное положение и направление А-А1 уже не было параллельно касательной плоскости. Гироскоп наклонился по отношению к линии горизонта. Вектор силы тяжести уже не будет проходить через центр подвеса и на наш гироскоп будет действовать сила F, стемящеяся повернуть его вокруг оси, перпендикулярной рисунку. А так как гироскоп железяка упёртая, то тут же начнётся прецессионное движение ротора в направлении также перпендикулярном рисунку, так ещё к меридиану! На рисунке положение III и есть момент поворота. Заканчивается весь этот цирк только лишь тогда, когда ротор гироскопа будет направлен вдоль меридиана, так ещё Север-Юг! На рисунке это положение IV! Получается, что земля своим вращением всё время заставляет гироскоп искать направление меридиана Север-Юг. Только в таком положении никто уже не будет беспокоить наш гироскоп, кроме... Ну, да! Всё это красиво пока гироскоп стоит на площадке касательной поверхности земли. А мы-то ищем замену магнитному компасу! А самолёт, корабль вещи очень беспокойные, а гироскоп нервное существо и?.. Поэтому вот так просто гирокомпас применить не получается и приходится применять всякие хитрости и порой очень и очень сложные!
Не смотря на трудности все приборы построенные на эффектах гироскопа называются гироскопическими. На рис8 Вы видите, нет не магнитный компас, а гироскопический. Точнее репитер компаса, устройство отображающее положение гирокомпаса находящегося где-нибудь в трюме?! На рис9 гирокомпас (указатель направления) самолёта Цессна. На рис10 и 11 авиагоризонты, совместимые с указателями крена и тангажа. Как это понимать? Авиагоризонт, это искусственный горизонт помогает контролировать положение самолёта при отсутствие видимости настоящего горизонта. Указатель крена, показывает как расположен самолёт относительно этого самого горизонта. Для Вас это положение крыльев самолёта. Указатель тангажа показывает параллельность корпуса самолёта относительно земли в направлении полёта. По-русски нос самолёта смотрит прямо не обращая ни на кого внимания или вниз к земле, а может вверх?.. Такие вот штучки у нас и на западе устроены по-разному. На рис10 наш прибор, а на рис11 американского самолёта Цессна.
На нашем, авиагоризонт всё время находится как бы горизонтально, а самолёт в таком виде как его видит наблюдатель с земли. В американской же системе наоборот, самолёт на месте, а горизонт гуляет, меняя наклон. В том и другом случае показывает крен самолёта и на обеих рисунках крен на правое крыло и поворот самолёта туда же. Здесь, на рис11 лётчик видит то, что и через лобовое стекло в реальности! Я же летая на Цессне в симуляторе вижу аналогичное. На мой взгляд это более реально чем на рис10. Как уж там пилоты воспринимают? Кстати наши пилоты переучивающиеся на всякие «Боинги» испытывают некие затруднения. Даже одна из версий катастрофы с «Боингом» именно из-за этой путаницы?! Это когда уронили «Боинг» в километрах от аэропорта в Перми! Вот такая сказка получилась.