Принципиальная схема свободного гироскопа
Свободным называется гироскоп, имеющий три степени свободы (по осям х, у и z) при отсутствии трения в осях. При этом неподвижная точка совпадает с точкой пересечения осей подвеса ротора и совмещена с центром тяжести гироскопа.
На рис. 7.3 показана принципиальная схема свободного гироскопа.
Рис. 7.3. Принципиальная схема свободного гироскопа
Массивный ротор 1 подвешен на двух кольцах 2 и 3, образующих карданный подвес. Таким образом осуществляются три степени свободы гироскопа вокруг трех взаимно перпендикулярных осей: собственное вращение ротора вокруг оси симметрии хх' в подшипниках кольца 2; вращение ротора вместе с кольцом 2 вокруг оси у в подшипниках кольца 3; вращение ротора вместе с кольцами 2 и 3 вокруг оси z в подшипниках основания 4. Точку пересечения О трех осей называют центром гироскопа, или точкой подвеса. С этой точкой должен совпадать центр тяжести чувствительного элемента (ЧЭ).
Если ротор привести во вращение вокруг оси хх' с большой частотой вращения (современные гироскопы имеют частоту вращения до 60 тыс. об/мин.), то ось гироскопа приобретает устойчивость и способность сопротивляться изменению ее положения в пространстве. При вращении основания 4 в любом направлении положение оси хх' гироскопа в пространстве остается неизменным.
Элементарное представление о работе гироскопа дает вращающийся волчок, способный сохранять положение оси вращения неизменным. Если гироскоп установлен на Земле, совершающей суточное вращение вокруг своей оси, а ось гироскопа ориентирована в направлении на какую-либо звезду, то независимо от вращения Земли ось все время будет «следить» за звездой.
Примем это свойство устойчивости оси гироскопа для определения направления меридиана точки наблюдений. Пусть (для простоты рассуждений) гироскоп установлен на экваторе в точке А так, что его ось вращения хх' в начальный момент времени горизонтальна и приблизительно перпендикулярна направлению меридиана (рис. 7.4, а).
Рис. 7.4. Кажущееся движение оси гироскопа при суточном вращении Земли
Тогда через 6 час. (рис. 7.4, б) плоскость горизонта НН наклонится на 90°, а ось вследствие ее устойчивости останется ориентированной так же, как и в начальный момент. Наблюдателю покажется, что за это время ось наклонилась на 90°. Через 12 час. (рис. 7.4, в) наблюдателю покажется, что ось гироскопа повернулась на 180° относительно начального положения и т. д. За время одного суточного оборота Земли (рис. 7.4, г) ось гироскопа совершит кажущееся движение относительно наблюдателя в этой точке на 360°.
Если ось была установлена под каким-либо углом к меридиану, то в течение суток она опишет в пространстве конус, ось которого будет лежать в плоскости меридиана. Если же в начальный момент ось была установлена в плоскости меридиана, то она будет казаться наблюдателю неподвижной.
Таким образом, свойство свободного гироскопа сохранять неизменным свое положение в пространстве можно использовать при автономном ориентировании. Однако это свойство сохраняется лишь в идеальном гироскопе. В действительности имеет место трение в осях (подшипниках), а центр тяжести невозможно точно совместить с точкой подвеса.
Под действием внешней силы, приложенной к оси быстро вращающегося гироскопа, ось перемещается в направлении, перпендикулярном к направлению действия силы. В том случае, если действующая сила непрерывна, то и перемещение оси будет непрерывным. Эти перемещения оси, имеющие вид колебаний, называются прецессией и имеют в общем случае для свободного гироскопа незакономерный характер, а величина прецессии в самых совершенных гироскопах достигает 0,5-1° в час. Кроме того, сам процесс наблюдений будет слишком длителен. Поэтому способ ориентирования с помощью свободного гироскопа применяется для геодезических целей лишь в тех случаях, когда требуется сохранение точной ориентировки в течение короткого промежутка времени или же к ориентировке предъявляются пониженные требования (топографический привязчик) и имеется возможность периодически определять поправку за прецессию гироскопа.
