太空科學(xué)課（四）

太空熊貓君

今天我要發(fā)個(gè)朋友圈，因?yàn)槭謾C(jī)上顯示我走了15000步，妥妥的“運(yùn)動(dòng)小達(dá)人”！那你想過沒有，手機(jī)是如何記錄你的步數(shù)的呢？記錄步數(shù)到底利用了什么科學(xué)原理呢？其實(shí)，天宮二號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行的一個(gè)太空實(shí)驗(yàn)早就告訴我們答案了！

翻滾的陀螺

2013年6月，航天員王亞平向全國中小學(xué)生展示了一系列的太空實(shí)驗(yàn)，其中第四個(gè)實(shí)驗(yàn)非常神奇：王亞平拿出 一個(gè)陀螺，讓它懸浮在空中。隨后，王亞平用手指輕觸陀螺，陀螺受力，翻滾著向前飛去。接 下來，王亞平又取出另一個(gè)陀螺，通過抽動(dòng)讓它快速旋轉(zhuǎn)起來，這個(gè)時(shí)候再輕推陀螺，雖然它依然會(huì)向前飛出，但是不再翻滾，不再改變自轉(zhuǎn)軸的方向了。

快速旋轉(zhuǎn)下不再翻滾的陀螺

陀螺的這個(gè)特性叫作定軸性：當(dāng)陀螺快速旋轉(zhuǎn)起來之后，如果我們只是輕觸，不去刻意地轉(zhuǎn)動(dòng)它，它就不會(huì)改變自轉(zhuǎn)軸的方向。轉(zhuǎn)動(dòng)陀螺的定軸性是無處不在的，只是在地面上受到重力和摩擦力等因素的影響，表現(xiàn)并不明顯 ，到這個(gè)現(xiàn)象啦！

快速旋轉(zhuǎn)下不再翻滾的陀螺

為什么會(huì)出現(xiàn)這個(gè)特性呢？我們可以對(duì)陀螺做一個(gè)受力分析。一個(gè)不旋轉(zhuǎn)的陀螺，假設(shè)我們?cè)谧髠?cè)輕輕向下推動(dòng)陀螺，正常情況下，陀螺肯定會(huì)朝這個(gè)方 向翻轉(zhuǎn)。但當(dāng)陀螺進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)的時(shí)候，我們?cè)谕瑯拥奈恢猛?動(dòng)陀螺，情況就不一樣了——推動(dòng)的瞬間，左側(cè)受到向下的推 力，陀螺的這部分會(huì)向下轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)右側(cè)會(huì)向上運(yùn)動(dòng)。然而 別忘了，陀螺還在高速旋轉(zhuǎn)呢，陀螺的左側(cè)會(huì)快速地跑到右側(cè) ，而右側(cè)向上運(yùn)動(dòng)的慣性還在，向上和向下的力相互抵消，整個(gè)陀螺翻轉(zhuǎn)的 動(dòng)作就停止了?？瓷先サ慕Y(jié)果就是旋轉(zhuǎn)的陀螺被推動(dòng)時(shí)，其自轉(zhuǎn)軸可以永遠(yuǎn) 保持同一個(gè)方向而不會(huì)發(fā)生翻轉(zhuǎn)，這就是轉(zhuǎn)動(dòng)陀螺的定軸性。

這個(gè)特性的原理聽起來有些復(fù)雜，但已經(jīng)被應(yīng)用在很多領(lǐng)域了，在我們身邊隨處可見。通過這個(gè)特性，我們可以判斷一個(gè)物體是否發(fā)生了抖動(dòng)或者轉(zhuǎn)動(dòng)?？茖W(xué)家利用這個(gè)特性發(fā)明的陀螺儀，已經(jīng)成為很多電子產(chǎn)品中非常重要的原伯。小到手機(jī)檢測(cè)行走步數(shù)、拍照防抖的功能，大到船只、飛機(jī)、航天器的導(dǎo)航和姿態(tài)控制都離不開陀螺儀。

美國F-104戰(zhàn)斗機(jī)上的陀螺儀

陀螺儀的發(fā)明者是法國物理學(xué)家萊昂·傅科，他最著名的成果就是發(fā)明傅科擺證明了地 球在自轉(zhuǎn)。他設(shè)計(jì)的陀螺儀就是在一個(gè)萬向支架中放置一個(gè)高速旋轉(zhuǎn)的陀螺，由于定軸性的存在 ，無論我們?nèi)绾我苿?dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、震動(dòng)整個(gè)裝置，陀螺自轉(zhuǎn)軸的朝向都保持不變，這樣我們就可以用它 來判斷方向和姿態(tài)了。最開始，陀螺儀主要被用于航海導(dǎo)航，幫助船員確認(rèn)方向。后來陀螺儀被應(yīng)用在航空領(lǐng)域，飛機(jī)在飛行的過程中很難確定方向的問題就迎刃而解了。二戰(zhàn)期間，德國甚至用陀螺儀為導(dǎo)彈裝備了慣性制導(dǎo)系統(tǒng)。

傳統(tǒng)的機(jī)械式陀螺儀存在著一些問題：陀螺和軸承直接接觸，存在摩擦力，對(duì)精度的影響很嚴(yán)重。經(jīng)過改進(jìn)，現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的，無論是光纖陀螺儀還是集成式的振動(dòng)陀螺儀，都具有體積更小、靈敏度更高等特點(diǎn)。

現(xiàn)在，陀螺儀種類繁多。很多智能手機(jī)都集成有 微機(jī)電陀螺儀（MEMS），雖然它還叫“陀螺儀”，但是外觀上已經(jīng)跟陀螺沒有什么關(guān)系了。微 機(jī)電陀螺儀使用微/納米技術(shù)，將微機(jī)電系統(tǒng)裝置和電子線路集成到微小的硅片上，通過監(jiān)測(cè) 轉(zhuǎn)動(dòng)后產(chǎn)生的電容變化，計(jì)算出角速度，就可以完成對(duì)運(yùn)動(dòng)的測(cè)量了。

再來看看我們身邊最常見的智能手機(jī)吧！手機(jī)里 的陀螺儀能實(shí)現(xiàn)哪些功能呢？簡直太多了：你在玩射擊或者賽車游戲的時(shí)候，可以通過調(diào)整手機(jī) 姿態(tài)來進(jìn)行控制;手機(jī)拍照的防抖功能也離不開陀螺儀，點(diǎn)擊拍照按鈕時(shí)產(chǎn)生的微小抖動(dòng)很可 能會(huì)讓你的照片模糊，通過陀螺儀監(jiān)測(cè)手機(jī)運(yùn)動(dòng)，再結(jié)合圖像處理器的算法，就可以把你的抖 動(dòng)補(bǔ)償回來，為你呈現(xiàn)一張清晰的照片：陀螺儀還可以輔助導(dǎo)航，當(dāng)我們身處隧道、導(dǎo)航信號(hào) 丟失的時(shí)候，手機(jī)能夠通過陀螺儀感知你的方向和速度，重新計(jì)算你所處的位置。最后我們?cè)?重新看下文章開頭的那個(gè)問題：手機(jī)是如何知道你走了多少步的？就是微機(jī)電陀螺儀結(jié)合加速傳 感器計(jì)算出來的！

隨著增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)的興起，陀螺儀 在未來將會(huì)發(fā)揮更大的作用。而它的基本原理，正是本次太空授課中王亞平為我們演示的實(shí)驗(yàn) 。

下一個(gè)太空實(shí)驗(yàn)，王亞平將為我們展示在生活中 幾乎無處不在的水和太空中的水有什么不一樣的地方，敬請(qǐng)期待吧！805C3199-4521-433B-AB66-C28A7984D0D7