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现代陀螺仪是一种能够精确地确定运动物体的方位的仪器,它是现代航空,航海,航天和国防工业中广泛使用的一种惯性导航仪器,它的发展对一个国家的工业,国防和其它高科技的发展具有十分重要的战略意义。 陀螺仪原理上就是运用物体高速旋转时,角动量很大,旋转轴会一直稳定指向一个方向的性质,所制造出来的定向仪器.传统的惯性陀螺仪主要是指机械式的陀螺仪,机械式的陀螺仪对工艺结构的要求很高,结构复杂,它的精度受到了很多方面的制约。自从上个世纪七十年代以来,现代陀螺仪的发展已经进入了一个全新的阶段。Vali等提出了现代光纤陀螺仪的基本设想,到八十年代以后,现代光纤陀螺仪就得到了非常迅速的发展,由于光纤陀螺仪具有结构紧凑,灵敏度高,工作可靠等等优点,所以目前光纤陀螺仪在很多的领域已经完全取代了机械式的传统的陀螺仪,成为现代导航仪器中的关键部件。
地球周围发现时空漩涡 爱因斯坦预言得证实http://www.people.com.cn/mediafile/pic/20110509/59/5199730781624781003.jpg 这是一张示意图,显示引力探测卫星-2号正在太空测量地球周围存在的时空扭曲效应 据美国宇航局网站报道,爱因斯坦的预言再一次得到了证实!科学家们经过仔细的检测,发现地球周围确实存在时空漩涡,并且其各项参数和爱因斯坦广义相对论预言的完全符合。 这是此间在美国宇航局总部举行的一场新闻发布会上公布的消息,探测的结果来自对该局实施的引力探测卫星B(GP-B)计划的数据分析结果。 引力探测卫星B项目首席科学家,斯坦福大学物理学家弗朗西斯·艾福瑞特(Francis Everitt)表示:“正如广义相对论预言的那样,地球附近确实存在时空扭曲。” 而美国华盛顿大学圣路易斯分校的克利福德·威尔(Clifford Will)表示:“这是一个历史性的时刻。”威尔是爱因斯坦理论研究方面的专家,他目前正担任美国国家研究理事会一个独立下设委员会的主席职务。这一委员会于1998年由美国宇航局创立,其主要目的便是对引力探测卫星B的数据进行检查和评估。他说:“有一天,今天的这个实验将被作为经典案例写进物理学教科书。” 根据爱因斯坦的相对论,空间和时间是交织在一起的,形成一种被他称为“时空”的四维结构。地球的质量会在这种结构上产生“凹陷”,这很像是一个成年人站在蹦床上陷进去的情形。爱因斯坦指出,引力的本质仅仅只是物体围绕这种时空凹陷的曲线边缘运动的外在表现。 如果地球是静止的,那这种扰动将不复存在。但是地球并非静止不动,我们的地球在不停旋转,这种旋转会产生扰动,尽管非常轻微,但仍然会产生一种四维漩涡。而这就是2004年发射进入太空的引力探测卫星-B所要探测的目标。 实验的原理 这一实验项目背后的科学原理非常简单:科学家们将一个陀螺仪送上地球轨道,使它的一个旋转轴指向一颗遥远的恒星作为参考点。在没有任何外力作用的情况下,这一旋转轴应当永远指向这一颗恒星。但如果空间是扭曲的,那么陀螺仪的指向会随着时间推移发生改变。通过对这种改变的精密检测,科学家们能了解时空弯曲的相关信息。 这说起来似乎很简单,但真正做起来却非常艰难。 首先,制造引力探测器B中4个高精度陀螺仪需要用到精度极高的球体。事实上,这些陀螺仪内部的转子是人类迄今制造过的最完美球体。它们的大小约相当于一个乒乓球,由熔凝石英和硅材料制成,其相对完美球体的误差在任何方向都不超过40个原子的厚度。这样高的精度是必须的,因为如果不是这样做,那么这些陀螺仪转轴的晃动将出现误差。 根据爱因斯坦理论进行的估算显示,地球周围空间的时空扭曲将导致陀螺仪旋转轴出现每年0.041弧秒的改变。1弧秒等于1/3600度。为了测出这样微小的改变量,GP-B探测器必须具备0.0005弧秒的精度。这就相当于让你测量放在100英里(约合161公里)之外的一张纸的厚度。 对此,威尔说:“GP-B探测器项目的工程师们不得不发明一整套全新的技术来满足这种不可思议的要求。” 举几个例子,工程师们开发了一种“无拖曳”卫星技术,它可以让卫星擦过地球最外层大气却不会造成对其内部陀螺仪的扰动。他们还开发出独特的技术来防止地球磁场穿透探测器从而影响其测试精度。最后,他们还设计出一种技术来测量陀螺仪的旋转角度,但整个过程中不会触碰到陀螺仪从而对其造成影响。 即便克服了制造和设计上的技术困难,进行这项精度空前的实验本身同样是一个巨大的挑战,但经过一年的数据收集和将近5年的数据分析,GP-B项目的科学家们认为他们已经几乎接近完成这项工作。 艾福瑞特说:“我们测量到测地线效应值为+6.600或-0.017,惯性系拖曳效应值为+0.039或-0.007。” 测地线效应是指由于地球的静止质量引起的陀螺旋转轴改变,也即时空的凹陷。而惯性系拖曳效应则是由于地球自转导致的陀螺旋转轴改变,也即时空的扭曲。测量得到的这两组数据都和爱因斯坦理论的预测非常吻合。
陀螺旋转的时候为什么不会倒在小时候曾经玩过陀螺的成千上万个人里面,恐怕没有多少人能够正确地回答这个问题,为什么一个直立着转甚至歪斜着转的陀螺会出乎意料地不倒呢?是什么力量把它维持在这种好像很不稳定的状态呢?难道它能不受重力的作用吗? 原来,这里有一种极有趣的力的相互作用。陀螺的原理很不简单,这里不打算深入研究。这里只谈一谈旋转着的陀螺所以能够不倒的基本原因。http://www.pep.com.cn/oldimages/pic_88989.gif图172是一个照着箭头所指的方向旋转着的陀螺。请注意它边上写着A字的那一部分,和在它对面写着B字的那一部分。A的部分在离开你,而B的部分在向着你转过来。现在再看,当你把陀螺的轴向你自己这一面侧倒的时候,这两部分会起什么样的运动。你这样推它,就是使A的部分的运动向上斜,B的部分的运动向下斜;使这两部分都得到一种跟自己本来的运动成直角的推动。可是,陀螺在很快旋转的时候,它的圆周速度非常大,而你推它的时候所给它的那个速度却很小。一个小速度和一个大速度结合而成的速度,自然跟圆周的大速度相差不大。所以陀螺的运动几乎没有改变。陀螺好像抵抗着一切想把它推倒的力。同时陀螺越重和转得越快,就越能顽强地抵抗推倒它的力。这就是陀螺能够不倒的原因。这个解释,在本质上同惯性定律有直接关系。陀螺上的每一个点,都在一个跟旋转轴垂直的平面里沿着一个圆周转。按照惯性定律,每一个点随时都竭力想使自己沿着圆周的一条切线离开圆周。可是所有的切线都同圆周本身在同一个平面上。因此,每一个点在运动的时候,都竭力想使自己始终留在跟旋转轴垂直的那个平面上。由此可见,在陀螺上所有跟旋转轴垂直的那些平面,也竭力在维持自己在空间的位置。这就是说,跟所有这些平面垂直的那旋转轴本身,也竭力在维持自己的方向。http://www.pep.com.cn/oldimages/pic_88990.gif我们不准备研究陀螺在外力作用下所发生的一切运动。这需要做很多解释,未免会枯燥无味。我只想解释一下,一切旋转物体所以能够使它们的旋转轴的方向保持不变,原因在哪里。旋转物体的这种性质正被现代技术广泛地利用着。在现代轮船和飞机上装置的各种回转仪,像罗盘、稳定器等,都是根据陀螺原理造成的。旋转的作用保证了炮弹和枪弹飞行的稳定性,也可以用来保证人造卫星、宇宙火箭等在真空中运动的稳定性。陀螺似乎只是一种简单的玩具,谁知它竟有这么多的用途!