部编版小学四年级上册语文第20课《陀螺》。课文通过一个孩子做陀螺、 得陀螺和斗陀螺的故事,自然而然地说明了人不可貌相、海水不可斗量的道理。
陀螺,我国民间最早的娱乐工具之一。其形状上半部分为圆形,下部尖锐,从前多用木头制成,现代多为塑料或铁制。玩时可用绳子缩绕,用力抽绳,使其直立旋转,或利用发条的弹力旋转。
陀螺仪,又叫角速度传感器,用来测量物体的角速度。1852年,法国科学家傅科为了测量地球的自转角速度,发明了世界上第一个陀螺仪,这就是最早的机械陀螺仪。然而限于当时制造工艺水平低,陀螺仪的误差大,并没有观察、验证到地球的自转角速度。
陀螺与陀螺仪
进动是轴的朝向改变,不是轴移动,两个现象。陀螺在地面移动的同时,自身旋转轴也会产生绕圈进动,这才是同样的现象。
陀螺在地面是否向内倾斜,取决于地面摩擦系数大小。
地面比较滑的时候,陀螺质心基本不动,轴下端在地面划圈。跟之前跟你提到过的陀螺仪底座跟地面不固定,光滑无摩擦的情况类似。
地面粗糙的时候,地面摩擦力提供向心力,陀螺下端基本保持固定点,上端划圈进动。
整体轴进动速度,依然是之前推导的算法,区别在于地面是否能够提供向心力。陀螺轴进动,是角动量定理,重力跟支撑力在偏移竖直的轴上产生的力矩等于角动量的改变量,产生进动。
整体陀螺质心移动,是动量定理,地面摩擦力的冲量等于陀螺质心动量的改变量,摩擦力足够小,则陀螺质心移动小,陀螺轴进动的时候下端上端反向划圈。摩擦力足够大甚至凹面相对固定,则陀螺仪下端固定,质心划圈移动。
当然,随着技术的发展,现在有了更先进的陀螺仪,比如激光陀螺仪,光纤陀螺仪以及MEMS微机电陀螺仪。虽然还叫陀螺仪,但其原理跟机械陀螺仪完全不一样。但是它们都有一个共同点,那就是能测量运动物体的角速度。
陀螺仪一经面世,便被应用在国防军工上,加速了战术武器制导化的进程。早在二战时,德国就已经研制出V2导弹发射精度解决问题的装置,这就是“惯性制导装置”的惯性导航系统,由陀螺仪和加速度计组成。火箭发射需要的定位系统--惯性制导装置。此外,陀螺仪还被大量运用在飞机、火箭、卫星和飞船上。比如中国的神舟号飞船,就是陀螺仪通过实时测量,快速而精准的计算飞船飞行方向所产生的误差,及时纠正轨道,然后飞船才能和目标飞行器完美对接;我们的运载火箭以及北斗导航55颗卫星能沿着自己的轨道运行而不产生偏离就靠陀螺仪的作用。
如今,陀螺仪已不再神秘,我们的生活中随处可见。安装在手机上的陀螺仪,可以对转动、偏转的动作做出很好的测量,并由此精确分析判断出使用者的实际动作,而后再根据动作对手机做相应的调整。
比如时下最火的手游——吃鸡游戏,对个人灵敏度要求甚高。陀螺仪作为手机游戏中的一个辅助工具,很好的解决了延迟问题。它能自觉的根据你镜头方向对准敌人,进行射击。陀螺仪的功能极大的提高了手游的流畅度和精确度。此外,一些手机拍照时候防抖也要用到它。由于内置有陀螺仪传感器,因而可对外力引起的震动进行补偿,从而增强了拍摄时的稳定性。
此外,汽车上也用了很多陀螺仪,用来检测汽车不同部位的工作状态,给行车电脑提供信息,让用户更好的控制汽车;平衡车、无人机等均用到了陀螺仪,用来测量前进或后退时的角速度,及时调整姿态,保持外部平衡与稳定。小小的陀螺仪无处不在,需要检测运动状态的地方就能用到它。可以说,如今陀螺仪的应用范围十分地广泛,给我们带来生活的各种便利。