中文名稱：

　　陀螺儀

　　英文名稱：

　　gyroscope

　　定義：

　　利用高速回轉體的動量矩敏感殼體相對慣性空間繞正交于自轉軸的一個或二個軸的角運動檢測裝置。利用其他原理制成的角運動檢測裝置起同樣功能的也稱陀螺儀。

　　應用學科：

　　船舶工程（一級學科）；船舶通信導航（二級學科）

　　簡介　繞一個支點高速轉動的剛體稱為陀螺（top）。通常所說的陀螺是特指對稱陀螺，它是一個質量均勻分布的、具有軸對稱形狀的剛體，其幾何對稱軸就是它的自轉軸。 由蒼蠅后翅（退化為平衡棒）仿生得來。

　　在一定的初始條件和一定的外在力矩作用下，陀螺會在不停自轉的同時，還繞著另一個固定的轉軸不停地旋轉，這就是陀螺的旋進（precession），又稱為回轉效應（gyroscopic effect）。陀螺旋進是日常生活中常見的現象，許多人小時候都玩過的陀螺就是一例。

　　人們利用陀螺的力學性質所制成的各種功能的陀螺裝置稱為陀螺儀（gyroscope），它在科學、技術、軍事等各個領域有著廣泛的應用。比如：回轉羅盤、定向指示儀、炮彈的翻轉、陀螺的章動、地球在太陽（月球）引力矩作用下的旋進（歲差）等。

　　陀螺儀的種類很多，按用途來分，它可以分為傳感陀螺儀和指示陀螺儀。傳感陀螺儀用于飛行體運動的自動控制系統中，作為水平、垂直、俯仰、航向和角速度傳感器。指示陀螺儀主要用于飛行狀態的指示，作為駕駛和領航儀表使用。

　　現在的陀螺儀分為，壓電陀螺儀，微機械陀螺儀，光纖陀螺儀，激光陀螺儀，都是電子式的，可以和加速度計，磁阻芯片，GPS，做成慣性導航控制系統。

　　結構

　　基本上陀螺儀是一種機械裝置，其主要部分是一個對旋轉軸以極高角速度旋轉的轉子，轉子裝在一支架內；在通過轉子中心軸XX1上加一內環架，那么陀螺儀就可環繞飛機兩軸作自由運動；然后，在內環架外加上一外環架；這個陀螺儀有兩個平衡環，可以環繞飛機三軸作自由運動，就是一個完整的太空陀螺儀（space gyro）。

　　歷史

　　1850年法國的物理學家萊昂·傅科（J.Foucault）為了研究地球自轉，首先發現高速轉動中的轉子（rotor），由于慣性作用它的旋轉軸永遠指向一固定方向，他用希臘字 gyro（旋轉）和skopein（看）兩字合為gyro scopei 一字來命名這種儀表。

　　陀螺儀是一種既古老而又很有生命力的儀器，從第一臺真正實用的陀螺儀器問世以來已有大半個世紀，但直到現在，陀螺儀仍在吸引著人們對它進行研究，這是由于它本身具有的特性所決定的。陀螺儀最主要的基本特性是它的穩定性和進動性。人們從兒童玩的地陀螺中早就發現高速旋轉的陀螺可以豎直不倒而保持與地面垂直，這就反映了陀螺的穩定性。研究陀螺儀運動特性的理論是繞定點運動剛體動力學的一個分支，它以物體的慣性為基礎，研究旋轉物體的動力學特性。

　　原理

　　陀螺儀的原理就是，一個旋轉物體的旋轉軸所指的方向在不受外力影響時，是不會改變的。人們根據這個道理，用它來保持方向，制造出來的東西就叫陀螺儀。陀螺儀在工作時要給它一個力，使它快速旋轉起來，一般能達到每分鐘幾十萬轉，可以工作很長時間。然后用多種方法讀取軸所指示的方向，并自動將數據信號傳給控制系統。

　　在現實生活中，陀螺儀發生的進給運動是在重力力矩的作用下發生的。

　　特性

　　陀螺儀被廣泛用于航空、航天和航海領域。這是由于它的兩個基本特性：一為定軸性（inertia or rigidity），另一是進動性（precession），這兩種特性都是建立在角動量守恒的原則下。

　　定軸性

　　當陀螺轉子以高速旋轉時，在沒有任何外力矩作用在陀螺儀上時，陀螺儀的自轉軸在慣性空間中的指向保持穩定不變，即指向一個固定的方向；同時反抗任何改變轉子軸向的力量。這種物理現象稱為陀螺儀的定軸性或穩定性。其穩定性隨以下的物理量而改變：

　　1.轉子的轉動慣量愈大，穩定性愈好；

　　2.轉子角速度愈大，穩定性愈好。

　　所謂的“轉動慣量”，是描述剛體在轉動中的慣性大小的物理量。當以相同的力矩分別作用于兩個繞定軸轉動的不同剛體時，它們所獲得的角速度一般是不一樣的，轉動慣量大的剛體所獲得的角速度小，也就是保持原有轉動狀態的慣性大；反之，轉動慣量小的剛體所獲得的角速度大，也就是保持原有轉動狀態的慣性小。

　　進動性

　　當轉子高速旋轉時，若外力矩作用于外環軸，陀螺儀將繞內環軸轉動；若外力矩作用于內環軸，陀螺儀將繞外環軸轉動。其轉動角速度方向與外力矩作用方向互相垂直。這種特性，叫做陀螺儀的進動性。進動角速度的方向取決于動量矩H的方向（與轉子自轉角速度矢量的方向一致）和外力矩M的方向，而且是自轉角速度矢量以最短的路徑追趕外力矩。如右圖。

　　進動方向
?

　　這可用右手定則判定。即伸直右手，大拇指與食指垂直，手指順著自轉軸的方向，手掌朝外力矩的正方向，然后手掌與4指彎曲握拳，則大拇指的方向就是進動角速度的方向。

　　進動角速度的大小取決于轉子動量矩H的大小和外力矩M的大小，其計算式為進動角速度ω=M/H。

　　進動性的大小也有三個影響的因素：

　　1.外界作用力愈大，其進動角速度也愈大；

　　2.轉子的轉動慣量愈大，進動角速度愈小；

　　3.轉子的角速度愈大，進動角速度愈小。