Пермская научно-производственная приборостроительная компания
21.03.2013, 15:20:07
История создания гироскопа и гироскопических приборов
В Пермском музее науки и техники ОАО «ПНППК» в
рамках цикла еженедельных просветительских встреч состоялась
беседа с доцентом ПГНИУ Николаевым Юрием Константиновичем об
истории создания гироскопа и гироскопических приборов.
СПРАВКА
Автор и
ведущий: Николаев Юрий Константинович, доцент
ПГНИУ, действительный член Международной туристской
академии, член геральдической комиссии при губернаторе
Пермского края, член союза журналистов России, председатель
Пермского отделения Всероссийского геральдического
общества, член союза геральдистов России.
До изобретения гироскопа человечество использовало различные
методы определения направления в пространстве. Издревле люди
ориентировались визуально по удалённым предметам, в частности, по
Солнцу. Уже в древности появились первые приборы: отвес и
уровень, основанные на гравитации. В средние века в Китае был
изобретён компас, использующий магнетизм Земли. В Европе были
созданы астролябия и другие приборы, основанные на положении
звёзд. Гироскоп изобрёл Иоганн
Боненбергер в 1802 году и опубликовал описание своего изобретения
в 1817 году. Однако французский математик Пуассон ещё в 1813 году
упоминает Боненбергера как изобретателя этого устройства. Главной
частью гироскопа Боненбергера был вращающийся массивный шар в
кардановом подвесе. В 1832 году американец Уолтер Р. Джонсон
придумал гироскоп с вращающимся диском.
Карданов подвес — универсальная
шарнирная опора, позволяющая закреплённому в ней объекту
вращаться одновременно в нескольких плоскостях. Главным свойством
карданова подвеса является то, что если в него закрепить
вращающееся тело, то оно будет сохранять направление оси вращения
независимо от ориентации самого подвеса. Это свойство нашло
применение в гироскопах, применяющихся в авиации и космонавтике.
Держатели судовых компасов или просто сосудов с питьём в
транспортных средствах тоже используют карданов подвес, который
позволяет предмету находиться в вертикальном положении несмотря
на толчки и тряску. Подвес получил своё название по имени
Джероламо Кардано (1501 — 1576), который не только не изобрёл
его, но даже и не претендовал на авторство: он описал это
устройство в своей получившей широкую известность книге «De
subtilitate rerum» («Хитроумное устройство вещей», 1550 г.).
Карданов подвес был впервые изобретён
греческим инженером Филоном Византийским в III в. до н.э. В одном
из своих трудов Филон описывает восьмигранную чернильницу с
отверстиями на каждой стороне. Можно было перевернуть
восьмигранник любой стороной кверху, но чернила не проливались.
Секрет заключался в том, что чернильница находилась в центре
хитроумно установленных концентрических металлических колец,
поэтому она сохраняла устойчивость независимо от положения. После
античности карданов подвес был широко известен в мусульманском
мире. В IX веке, через 1100 лет после изобретения, устройство
стало снова известно в Европе благодаря арабам. А еще через 800
лет известный учёный Роберт Гук и другие изобретатели стали
использовать этот принцип не для стабилизации центрального
элемента, а для приложения внешних сил. Этому западному
изобретению дали название универсального шарнира Гука. Именно оно
легло в основу механизма силовой передачи современных
автомобилей.
Компас нового времени, использующий карданов подвес
(1570 г.)
Самое раннее упоминание этого устройства в китайской литературе
относится к 140 г. до н.э. Предполагаемым изобретателем
устройства считается Фан Фэн. Подвес Фан Фэна применялся в
масляных лампах, в которых лампадка крепилась на кольцах,
скрепленных в двух противоположных точках, что позволяло
сохранять ей вертикальное положение. Принцип данного устройства
был вскоре забыт. В сочинении «Всесторонние записки западной
столицы», изданном в 189 г., сообщается что создателем
«курительницы для постели» с применением особого подвеса был Дин
Хуань. После этого карданов подвес часто применялся в разных
устройствах. Начиная с эпохи Сун, с помощью карданова подвеса
крепилось сиденье императора на паланкине, что позволяло сидеть
ему вертикально, даже если носильщики наклоняли паланкин. В 1852
году французский учёный Фуко усовершенствовал гироскоп и впервые
использовал его как прибор, показывающий изменение направления,
через год после изобретения маятника Фуко, тоже основанного на
сохранении вращательного момента. Именно Фуко придумал название
«гироскоп». Фуко, как и Боненбергер, использовал карданов подвес.
Преимуществом гироскопа перед более древними приборами является
то, что он правильно работает в сложных условиях (плохая
видимость, тряска, электромагнитные помехи). Однако гироскоп
быстро останавливался из-за трения. Во второй половине XIX века
Труве предложил использовать электродвигатель для разгона и
поддержания движения гироскопа. Впервые на практике гироскоп был
применён в 1896 году австрийским инженером Л.Обри для
стабилизации курса торпеды. Следующее применение гироскопа в
технике также относится к морскому делу. Гироскоп использовали
при разработке морского указателя курса – гирокомпаса. Прототип
современного гирокомпаса первым создал Герман Аншютц-Кэмпфе
(запатентован в 1908), вскоре подобный прибор построил
американский инженер Э. Сперри (запатентован в 1911). История
изобретения гирокомпаса такова: немецкий инженер Герман
Аншютц-Кэмпфе предложил проект экспедиции подводной лодки на
северный полюс Земли. Для ориентации подводной лодки был
необходим прибор для указания курса. Магнитный компас
использовать было нельзя, так как в высоких широтах он не
работает из-за больших возмущений магнитного поля Земли. К тому
времени были известны работы французского инженера Артура Кребса
(1889г.), который при проведении экспериментов на подводной лодке
предложил смещать центр тяжести гироскопа с горизонтальным
расположением оси вращения по вертикали , что фактически означало
изобретение морского маятникового гирокомпаса.
Экспедиция к северному полюсу Земли не состоялась, но Г.
Аншютц-Кемпфе была предложена очень удачная конструктивная схема
морского гирокомпаса. В последующие годы
разрабатывалось множество гирокомпасов различных модификаций, но
наиболее удачные из них принципиально почти не отличались от
устройств Аншютца и Сперри. Э. Сперри пытался оспорить у
Г.Аншютца-Кемпфе приоритет изобретения гирокомпаса в суде, но
дело проиграл. Главным экспертом в этом судебном деле был Альберт
Эйнштейн, который встал на сторону Г.Аншютца-Кемпфе. Морские
гирокомпасы современной конструкции значительно усовершенствованы
по сравнению с первыми моделями; они отличаются высокой точностью
и надежностью и удобнее в эксплуатации.
В XX веке гироскопы
стали использоваться в самолётах, ракетах и подводных лодках.
Русская авиация не только не отставала от зарубежных стран в деле
использования гироскопических приборов на самолете, но часто
являлась пионером их внедрения. Так, например, в 1917 г. русские
летчики А.Н. Журавченко и Г.Н. Алехнович совершили на самолете
«Илья Муромец» слепой полет, выдерживая прямолинейный курс в
заданном направлении по гироскопическому указателю поворотов.
Этот прибор, разработанный П.П. Шиловским специально для авиации,
позволил провести самолет по заранее намеченному курсу при полном
отсутствии видимости земных ориентиров. Работы советских ученых
А.Н. Крылова, Б.В. Булгакова, С.С. Тихменева, Г.В. Коренева, А.Р.
Бонина, Г.О. Фридлен-дера и многих других в содружестве с
выдающимися конструкторами Е.Ф. Антиповым, Е.В. Ольманом, Р.Г.
Чичикяном, А.И. Марковым и другими талантливыми инженерами
обеспечили оснащение советской авиации высококачественными
гироскопическими приборами. В двадцатых годах XX столетия в
дополнение к указателю поворотов создаются авиационные
гироскопические указатели, курса и горизонта, которые стали в
настоящее время обязательными навигационными приборами самолета
любого типа. В начале тридцатых годов советские конструкторы Д.А.
Браславский, М.М. Качкачян и М.Г. Эйлькинд первыми в мире
разработали, построили и испытали гиромагнитный компас,
получивший в настоящее время широкое распространение в авиации
всех стран мира. Идею определения местоположения объекта с
помощью двукратного интегрирования по времени проекций вектора
ускорения, измеряемого на борту, запатентовал Рейнгард Вуссов в
1905 году. Для этого он предложил поместить на объекте
акселерометр, ось чувствительности которого стабилизировалась с
помощью свободного гироскопа. Указанная заявка в своей основе
содержала идею метода навигации, в дальнейшем названного
инерциальным. Суть этого метода состоит в определении координат
объекта посредством расположенных на нем гироскопов, маятников
(акселерометров) и часов без использования во время движения
сторонней информации. Кроме того, практически одновременно
с Вуссовым были запатентованы идеи американского и русского
изобретателей М. Керри (1903 г.) и В.В. Алексеева (1911 г.)
инерциальных систем геометрического типа, которые должны
обеспечивать определение координат объекта, движущегося на
поверхности вращающегося земного шара. В 30е годы XX века
были сформулированы основные принципы инерциальной навигации.
Историю инерциальной навигации в нашей стране принято начинать с
момента разработки в 1932 году авиационной приборной вертикали с
интегральной коррекцией, невозмущаемой горизонтальными силами
инерции. В дальнейшем идею этой разработки стали называть схемой
Л.М. Кофмана и Е.Б. Левенталя. В соответствии с этой схемой
гироплатформа с жестко связанными с нею двумя
ньютонометрами (акселерометрами) управлялась сигналами,
пропорциональными интегралам от показаний ньютонометров, причем
коэффициент пропорциональности выбирался так, чтобы выполнялись
условия невозмущаемости. Как легко показать, такое устройство
является моделью маятника Шулера. Оно послужило прообразом
инерциальных навигационных систем с горизонтируемой платформой.
Следует заметить, что схема, близкая к схеме Кофмана-Левенталя,
была предложена в Германии в 1934 году Иоганном Бойковым.
В годы второй мировой войны в Германии
были созданы первые гироскопические ракетные приборы. Система
гироскопических приборов ракеты Фау-2, состоящая из
гирогоризонта, гировертиканта и гироскопического датчика
регулирования скорости полета, стала классической системой
гироприборов в ракетной технике, не потерявшей своей актуальности
и в настоящее время.
Литература.
1. Johann G. F. Bohnenberger (1817) «Beschreibung einer Maschine
zur Erluterung der Gesetze der Umdrehung der Erde um ihre Axe,
und der Vernderung der Lage der letzteren» («Описание машины для
объяснения законов вращения Земли вокруг своей оси и изменения
направления последней») Tbinger Bltter fr Naturwissenschaften
und Arzneikunde, vol. 3, pages 72-83. В интернете:
http://www.ion.org/museum/files/File_1.pdf
2. Simeon-Denis Poisson (1813) «Mmoire sur un cas particulier du
mouvement de rotation des corps pesans» («Статья об особом случае
вращательного движения массивных тел»), Journal de l'cole
Polytechnique, vol. 9, pages 247—262. В интернете:
http://www.ion.org/museum/files/File_2.pdf
3.Фото гироскопа Боненбергера:
http://www.ion.org/museum/item_view.cfm?cid=5&scid=12&iid=24
4.Walter R. Johnson (January 1832) "Description of an apparatus
called the rotascope for exhibiting several phenomena and
illustrating certain laws of rotary motion, " The American
Journal of Science and Art, 1st series, vol. 21, no. 2, pages
265—280. В интернете:
http://books.google.com/books?id=BjwPAAAAYAAJ&pg=PA265&lpg=PR5&dq=Johnson+rotascope&ie=ISO-8859-1&output=html
5. Illustrations of Walter R. Johnson’s gyroscope («rotascope»)
appear in: Board of Regents, Tenth Annual Report of the Board of
Regents of the Smithsonian Institution…. (Washington, D.C.:
Cornelius Wendell, 1856), pages 177—178. В интернете:
http://books.google.com/books?id=fEyT4sTd7ZkC&pg=PA178&dq=Johnson+rotascope&ie=ISO-8859-1&output=html
6. Wagner JF, "The Machine of Bohnenberger, " The Institute of
Navigation. В интернете:
http://www.ion.org/museum/item_view.cfm?cid=5&scid=12&iid=24
7. L. Foucault (1852) "Sur les phnomnes d’orientation des corps
tournants entrans par un axe fixe la surface de la terre, "
Comptes rendus hebdomadaires des sances de l’Acadmie des
Sciences (Paris), vol. 35, pages 424—427. В интернете:
http://www.bookmine.org/memoirs/pendule.html . Scroll down to
«Sur les phnomnes d’orientation …»
8. (1) Julius Plcker (September 1853) "ber die Fessel’sche
rotationsmachine, " Annalen der Physik, vol. 166, no. 9, pages
174—177; (2) Julius Plcker (October 1853) "Noch ein wort ber
die Fessel’sche rotationsmachine, " Annalen der Physik, vol. 166,
no. 10, pages 348—351; (3) Charles Wheatstone (1864) "On Fessel’s
gyroscope, " Proceedings of the Royal Society of London, vol. 7,
pages 43-48.
Официальный сайт партнера: www.ppk.perm.ru
Научная Россия
@Scientific_Rus
Назад
