同學(xué)，你玩過(guò)陀螺嗎？陀螺靜止的時(shí)候是無(wú)法立住的，但是當(dāng)你把陀螺快速旋轉(zhuǎn)起來(lái)的時(shí)候，它就能“金雞獨(dú)立”了。你知道嗎？這樣一個(gè)隨處可見(jiàn)的小小玩具，它蘊(yùn)含的原理可以幫助火箭和宇宙飛船飛向正確的方向呢！許多交通工具上都安裝有陀螺儀，這是一種運(yùn)用陀螺的原理、能夠測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體相對(duì)慣性空間角運(yùn)動(dòng)（角位移或角速度）的裝置，主要用于飛機(jī)、艦船、導(dǎo)彈、航天器及車輛的控制、導(dǎo)航等。今天，我們就一起來(lái)認(rèn)識(shí)神奇的陀螺儀吧！

陀螺儀是誰(shuí)發(fā)明的？

地球圍繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)，而且還會(huì)繞著地軸穩(wěn)定自轉(zhuǎn)，每24個(gè)小時(shí)自轉(zhuǎn)一周。為什么地球的自轉(zhuǎn)如此規(guī)律，不會(huì)混沌地?fù)u擺呢？1852年，法國(guó)物理學(xué)家萊昂·傅科發(fā)現(xiàn)地球自轉(zhuǎn)與陀螺旋轉(zhuǎn)有異曲同工之妙，于是發(fā)明了最早的陀螺儀，向大家演示地球自轉(zhuǎn)的原理。

幾十年后，人們逐漸認(rèn)識(shí)到一個(gè)小小的陀螺竟然可以解決船舶航行時(shí)確定方向的問(wèn)題。1906年，德國(guó)海軍工程師施里克在一艘魚雷艇上進(jìn)行了陀螺儀穩(wěn)定性的實(shí)驗(yàn)。在波濤洶涌的大海上，任憑船舶如何搖擺，陀螺儀均可以保持穩(wěn)定，像定海神針一樣為船員指明航向。

后來(lái)，隨著技術(shù)的逐漸完善，陀螺儀很快被安裝在潛艇、飛機(jī)、飛艇等各種交通工具上，發(fā)揮著舉足輕重的作用?；鸺鳛槿祟惸壳澳茱w向地球以外茫茫宇宙的交通工具，自然也少不了陀螺儀的身影。德國(guó)的V2導(dǎo)彈作為世界火箭的“先驅(qū)”，在設(shè)計(jì)之初就配備了陀螺儀。如今我們能見(jiàn)到的每一艘火箭、每一顆衛(wèi)星、每一艘載人飛船上都搭載有陀螺儀。

陀螺儀為何有此身手？

飛速旋轉(zhuǎn)的陀螺與地面只通過(guò)一個(gè)點(diǎn)接觸，竟然可以保持平衡而不倒，這種看似神奇的“魔力”其實(shí)是物理學(xué)中一個(gè)非?；A(chǔ)的概念——角動(dòng)量守恒。

這個(gè)名詞可能會(huì)讓你一頭霧水，但其實(shí)蘊(yùn)藏的原理很簡(jiǎn)單：角動(dòng)量是描述物體轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)的物理量，飛速旋轉(zhuǎn)的物體都有角動(dòng)量，而角動(dòng)量的方向具有穩(wěn)定不變的特點(diǎn)。拿玩具陀螺來(lái)說(shuō)，飛速旋轉(zhuǎn)的陀螺擁有角動(dòng)量，角動(dòng)量的方向具有守恒的特性，因此旋轉(zhuǎn)的陀螺可以保持直立姿態(tài)，不會(huì)傾倒。陀螺旋轉(zhuǎn)的速度越快，越容易維持姿態(tài)的平衡。

當(dāng)外力試圖改變陀螺的旋轉(zhuǎn)方向時(shí)，陀螺便會(huì)抵抗這一外力。因此，安裝陀螺儀之后，一旦火箭的飛行方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的陀螺便會(huì)感知到這一變化的外力，從而由傳感器傳遞給電腦。經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分析之后，電腦可以根據(jù)外力的大小、方向來(lái)判斷火箭飛行方向有沒(méi)有發(fā)生變化?；鸺耐勇輧x和電腦一般都安裝在火箭的頂部位置，因?yàn)檫@里擺動(dòng)幅度最大，能更靈敏地監(jiān)測(cè)到數(shù)據(jù)的變化。

一套完整的火箭陀螺儀通常包含三個(gè)獨(dú)立的陀螺，分別負(fù)責(zé)檢測(cè)上下、左右和前后三個(gè)方向（俯仰、偏航和滾動(dòng)）?；鸺w行時(shí)會(huì)遇到空氣阻力等各種擾動(dòng)，使火箭飛行的方向產(chǎn)生偏差，陀螺儀可以實(shí)時(shí)檢測(cè)這些擾動(dòng)，電腦會(huì)實(shí)時(shí)修正火箭的飛行航向，確?；鸺珳?zhǔn)到達(dá)目的地。為了防止可能的失效與故障，一個(gè)航天器會(huì)同時(shí)配備多套陀螺儀。

哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的陀螺儀故障

大名鼎鼎的哈勃空間望遠(yuǎn)鏡自1990年發(fā)射以來(lái)，已運(yùn)行了34年，為全世界的天文學(xué)家提供了寶貴的科學(xué)數(shù)據(jù)。它配有6套陀螺儀，每套陀螺儀內(nèi)部的轉(zhuǎn)輪以每分鐘19200轉(zhuǎn)的高速旋轉(zhuǎn)。30多年勤勤懇懇地工作，這些陀螺儀出現(xiàn)了明顯的老化，其中3套目前已經(jīng)“累癱”——完全停擺。

對(duì)于哈勃這類天基望遠(yuǎn)鏡，只有擁有穩(wěn)定的姿態(tài)，才可以穩(wěn)定瞄準(zhǔn)觀測(cè)目標(biāo)。2024年4月，哈勃上3套仍在運(yùn)轉(zhuǎn)的陀螺儀中的一套發(fā)生了故障，導(dǎo)致它自動(dòng)進(jìn)入安全模式，停止觀測(cè)活動(dòng)。科學(xué)家與工程師們正在研究延壽方案，以期“年事已高”的哈勃能取得更多發(fā)現(xiàn)。

更高級(jí)的陀螺儀

憑借機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)確定方向的經(jīng)典陀螺儀耗能較高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。隨著技術(shù)的發(fā)展，目前火箭和衛(wèi)星上已經(jīng)配備了激光陀螺儀、光纖陀螺儀等更先進(jìn)的陀螺儀。它們憑借光速等特性來(lái)精準(zhǔn)確定航天器的飛行姿態(tài)，精度更高，反應(yīng)更快，體積更小。

智能手機(jī)內(nèi)也有陀螺儀，常見(jiàn)的是微電機(jī)陀螺儀，通過(guò)測(cè)量微小的電容變化來(lái)感知自身的姿態(tài)變化，在一些導(dǎo)航、游戲軟件里大顯身手。

穿越云霄的火箭確定航向，口袋中的智能手機(jī)感知姿態(tài)，小朋友手中的陀螺玩具飛速旋轉(zhuǎn)，背后的原理就是如此相通。看似遙不可及的高端科技，其實(shí)所蘊(yùn)含的科學(xué)原理很可能就跟我們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｒ?jiàn)的事物息息相關(guān)。你還能舉出類似的例子嗎？