Ищем ответы у детского волчка и итальянского математика.
Гироскоп — это устройство, которое измеряет скорость и направление наклона любого объекта, на котором оно установлено. Это может быть смартфон, самолёт и любая другая техника.
Из этой статьи вы узнаете:
Как устроен гироскоп
Чтобы разобраться в устройстве современных гироскопов, посмотрим на его предшественников — детский волчок и карданов подвес.
Волчок в состоянии покоя
Фото: Cloud atlas / Wikimedia Commons
Раскрученный волчок долго сохраняет вертикальное положение, опираясь на свой острый кончик. Даже если его подтолкнуть, то ничего не изменится — вращение сохранится.
Это возможно благодаря принципу сохранения углового момента. Звучит он так: любое вращающееся тело стремится сохранить свою ориентацию в пространстве, то есть держится вертикально. Но волчок не может вращаться вечно. Когда он замедлится, его ось под действием силы тяжести наклонится, и он упадёт.
Волчок — это самый простой гироскоп, способный сохранять устойчивое вертикальное положение при вращении и реагировать на изменение угла наклона своей собственной оси.
Результат его эволюции — первый «настоящий» гироскоп, изобретённый в XVI веке итальянским математиком и физиком Джероламо Кардано.
Устройство — карданов подвес — состоит из вращающегося ротора, похожего на волчок, закреплённого во внутренней раме, которая может поворачиваться вокруг горизонтальной оси. Она, в свою очередь, закреплена на наружной раме, которая крепится к корпусу гироскопа и вращается по вертикальной оси.
Изображение: Оля Ежак для Skillbox Media
При этом, как бы ни поворачивался корпус, ось вращающегося ротора сохраняет вертикальное положение. И по изменению угла между нею и рамами можно оценить угол наклона всего устройства.
Карданов подвес — это основа гироскопов, использующихся в промышленности и транспорте. Например, в самолётах для определения их наклона относительно поверхности Земли во время полёта.
Где применяют гироскопы
Гироскопы устанавливают почти в любой современной технике — от «умного» пылесоса и смартфона до промышленных роботов и самолётов. Датчики определяют их положение в пространстве, автоматизируют управление и другие действия.
Как гироскоп работает в смартфоне
Гироскоп в телефоне работает на принципах, схожих с кардановым подвесом. Но вместо устройства с двумя рамами и ротором используется микроэлектромеханическая система (MEMS) размером в несколько миллиметров.
Чип гироскопа производства STMicroelectronics. Золотистые элементы на изображении — MEMS, принимающие и обрабатывающие информацию об изменении положения смартфона в пространстве
Фото: Wikimedia Commons
Главная часть такой системы — подвижные и неподвижные элементы, на которых размещаются электроды. Они могут двигаться только в противоположных направлениях друг относительно друга. Когда мы поворачиваем устройство, на эти элементы начинает действовать сила Кориолиса, направленная перпендикулярно движению, и расстояние между ними увеличивается или уменьшается.
Это меняет ёмкость конденсатора и уровень напряжения, создавая электрический сигнал. Микроэлектромеханическая система распознаёт и интерпретирует его, определяя положение смартфона в пространстве, а точнее степень его наклона.
Первым смартфоном с гироскопом стал iPhone 4, выпущенный компанией Apple в 2010 году. Кроме гироскопа, в модель добавили акселерометр и магнитометр. Эти сенсоры обеспечили точное отслеживание движений гаджета и его ориентации в пространстве. Сейчас гироскоп стал неотъемлемой частью любого современного смартфона и других гаджетов. Например, планшетов или «умных» часов.
Зачем гироскоп в телефоне
В некоторых ситуациях гироскоп мешает. Если вы пользуетесь смартфоном лёжа, то экран может поворачиваться сам по себе. В этом случае нужно зайти в настройки телефона и отключить его автоповорот.
Как проверить наличие и работоспособность гироскопа
Все современные смартфоны оснащены гироскопом. Найти модель без него сложно. Но иногда они могут не работать. Чтобы проверить гироскоп, есть несколько способов.
Скриншот: Gyroscope Test / Skillbox Media
На этом экране можно узнать подробную информацию о датчиках, нажав DETAILS или протестировать их работу, выбрав TEST.
Скриншот: Sensor Box / Skillbox Media
Если у вас iPhone, то используйте приложения-аналоги: Sensors Toolbox или AIDA64.
Что запомнить
Коротко пробежимся по тому, о чём рассказали в статье:
- Гироскоп — это датчик, который определяет, как сильно и в какую сторону наклонён какой-либо предмет в пространстве. Например, телефон или самолёт.
- В современных смартфонах всегда установлен гироскоп. Информация от него используется в мобильных приложениях: играх и программах с виртуальной реальностью, картах города, шагомерах и других.
- Проверить работоспособность гироскопа в телефоне можно с помощью приложений Gyroscope Test или Sensor Box для Android и Sensors Toolbox или AIDA64 для iOS.
Это одна из сил инерции, которая используется для оценки движения любой материальной точки или объекта относительно системы отсчёта.
Это прибор для измерения ускорения, который работает как датчик изменения положения устройства в пространстве.
Это прибор для измерения характеристик магнитного поля.