陀螺仪

最近流行一种可旋转的指尖陀螺，它的玩法很简单，只需要几根手指就能让其旋转。有人评价说玩这种游戏可以减压，但是陀螺本身却有更强大的作用——“变身”陀螺仪，当工厂机器人开始工作时，当使用虚拟现实技术[1]播放电影时，都可以发现它的身影。

“陀螺”这个术语最早是由法国物理学家博科[2]提出的，在英语中它是沿轴“回转体”的意思，这样看来，杂技中的转碟、耍盘子，还有天体的自转等也是一种陀螺。

最早在山西夏县西阴村仰韶文化遗址[3]中出土过一个陶制的小陀螺。

后魏晋时期[4]人们喜爱“独乐，宋朝的嫔妃宫女们善长打“千千“，陀螺上半部分多为圆柱体，下半部分成一个倒立的圆锥，圆锥的顶尖作为旋转轴心。大陀螺用一根长绳缠绕住，再把它抛掷在地上，陀螺就快速旋转起来，小的用手捻动使其旋转。继而在漫长的五千年岁月里陀螺一直飞快地旋转着，通过文化交流传到伊拉克（巴格达出土公元前3500年 陶土）、古埃及（公元前2000-1400年 木雕）、古希腊（底比斯公元前1250年 陶土）、古罗马等地[5]，以至于成为近代体育竞技中的一项，它就这样一直快乐的旋转下去。乃至后来还出现了许多其他的娱乐玩具例如竹片蜻蜓，竹片蜻蜓的两扇叶片在空中沿轴杆回转。

翩跹飞舞脚下坚，目标定位不会偏。机械陀螺仪发明最早，是由两种物品的结合体：民俗玩具陀螺和我国古代的万向支架也被后世人称为卡丹环[6]，人们根据一个旋转物体的旋转轴所指的方向在不受外力影响时不会改变方向的道理而定义[7]。

陀螺仪在科学领域的“存在感”越来越强大，意大利人希·卡丹诺[8]最先制造出陀螺平衡仪应用于航海。1852年法国人傅科[9]将高速旋转的刚体组装在导弹的惯性导航系统中，1908年美国人埃尔默·安布罗斯[10]将陀螺应用于飞机盲飞的自动稳定器上。1962年美、英、法、前苏联开始研制用激光作为方向测量器，1963年美国佩斯里公司率先研制出激光陀螺仪。1974年美国官方参与研制激光陀螺仪并制定计划，此后广泛应用在航空航天、航海、战车定位等方向。科学家们甚至将吸铁石和陀螺放在一起，研制成磁悬浮控制力矩陀螺（MSCMG）技术，这一技术也是未来航天器姿态控制系统实现跨越式发展的一个前沿科技。

也许这时候你要问：“陀螺转动为什么不倒？”这个问题我可以简单理解为角动量守恒[11]的情况下两个基本特性进动性和稳定性，要么就是小鞭子抽得根本停不下来，这样陀螺仿佛有了记忆功能，一直知道“初始方向”并跟踪地理子午面[12]。其实这个问题早在十七世纪，陀螺问题被称为“数学水妖”[13]，至今这一问题的科学家们仍然利用各种方法进行论证，有一部分人纯粹利用力与运动的角度阐释，还有一部分人从椭圆积分中的阿贝尔函数搭建描述，工程机械人士似乎更乐意理解为刚体（转子）绕定点（定子）转动。甚至高深的物理学家们将陀螺比作俯视的银河系——沙陀螺。

只是近代陀螺仪已经发生了本质变化，科学家利用光电信号进行模拟，使陀螺仪缩小到药片大小，甚至美国科学家研制出世界上最小的光学陀螺仪比一粒米还小[14]。

我们生活中常见的几款陀螺仪有机械陀螺仪、iMEMS（IntegratedMicroElectroMechanicalSyste集成微电子机械系统）陀螺仪、MEMS微机电陀螺仪、光纤陀螺仪和激光陀螺仪等。

iMEMS，在导航方面发挥作用很大例如记步手环和智能手表等，小米手环就使用过ADXRS系列中的ADXL362陀螺仪。角速度传感器，例如各种电动平衡车，可以利用类似汽车车体安装的精密固态陀螺仪(Solid-State Gyroscopes)，维持自主平衡。来自瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH）动态系统与控制研究的小组创造出一个可以随意翻转、不会摔倒的立方体机器人，叫做Cubli。该机器人有三个内置的转轮，它们沿着不同的轴调整转速和角动量[15]，保持立方体的平衡。麻省理工学院（MIT）的一个研究小组将 Cubli 更加小型化，并且通过磁性的边缘链接起来，组成了一个能够变形的机器人 “M-blocks”[16]。

微机电陀螺仪MEMS一般会用在手机等电子产品上，通常有两个方向的可移动电容板，由电容的变化可以计算出角速度[17]，通常电子产品里使用陀螺仪、加速度计和磁传感器增加精确度。

光纤陀螺仪的原理是利用光程的变化检测出两条光路的相位差[18]，就可以测出光路旋转角速度，主要用于航空，航海，航天和国防工业和农业领域。

激光陀螺仪的原理是利用光程差来测量旋转角速度，主要用于航空、航天、国防等高端领域。

作为导航与制导的一个重要部件，陀螺仪已经更加精密，即可以应用到卫星上，也可以应用到天宫实验室上，名字叫做控制力矩陀螺（CMG）[19]，是航天器在太空调整的执行部件，在天宫二号资源舱里共安装了6个陀螺，被称作国产研制的“定海神针”，也是神州飞船与天宫对接时的定位器。

因为许多交通工具需要更精确的定位，例如一些船舰会使用GNSS/SINS[20]组合导航测速定位技术完成测量。又因为陀螺仪自身特点无法计算交通工具加速的数据，需要加速度计等组件互补。面对越来越繁复的技术工具，陀螺仪几乎不会被人识别到，已经化身为其中一个组件，默默地发挥着作用。

一支小小的陀螺，穿越历史千年迷雾，娱悦我们的生活。陀螺仪器问世大半个世纪，越发精密而初衷未改，方便我们的生活。毫无疑问，陀螺仪将在中国的流水线上量产，在未来的科学技术上继续发挥作用。

参考资料（摘要）：

1.《高中地理教学参考书》（上册必修）人民教育出版社

2.《不可不知的中华民俗常识》 江苏凤凰美术出版社

3.全日制普通高级中学教科书（选修）《中国古代史》人民教育出版社

4.《精确制导 武器技术应用向导》国防工业出版社 付强 何俊等编著

5.中国大百科全书数据库相关词条

[1] VR是一种全新的人机交互系统，特点是：计算机生成的是一个给人多种感官（视、听、触觉）刺激的虚拟环境；虚拟世界给人身临其境感（沉浸感）；用户能以自然方式与虚拟对象进行交互操作。出处《中国大百科全书》（第二版）。

[2] 傅科，J.-B.-L. Jean-Bernard-Léon Foucault,1819-1868年，傅科演示地球有自转的这种单摆后称为傅科摆。他还用陀螺仪证实了地球的自转。出处《中国大百科全书》（第一版）。

[3] 中国黄河中游地区的新石器时代文化。因最早发掘的河南省渑池县仰韶村遗址而得名。出处《中国大百科全书》（第一版）。

[4] 自东汉末年建安元年（196）曹操迁献帝于许昌，到隋文帝开皇九年（589）历时394年，史称魏晋南北朝。出处《中国大百科全书》（第一版）。

[5] 摘自网络资源www.douban.com 郁则撰写网文《陀螺小史（古代篇）》。

[6] 这种连锁环保持中心处东西直立的装置通常被称为"卡丹环"，是以公元16世纪意大利科学家杰罗姆·卡丹的名字命名，但是中国人的发明比他早了1700年。出处360百科 卡丹环词条。

[7] 机械陀螺仪的定义。

[8] 同注脚6

[9] 同注脚2

[10]埃尔默.安布罗斯.斯佩里（Elmer Sperry），（1860-1930）发明家，在他的四百项发明专利中，最著名的要算他在1896-1910年之间研制的陀螺罗盘了。旋转的陀螺仪保持平面旋转，并且不让其转离平面。出处360百科 斯佩里词条。

[11] 物理学的普遍定律之一。反映质点和质点系围绕一点或一轴运动的普遍规律。出处360百科 角动量守恒定律词条。

[12]通过地面点包含地球南北极的平面。出处360百科 子午面词条。

[13]"数学水妖"问题就是刚体绕定点的转动问题。参考索菲·柯瓦列夫斯卡娅（1850-1891）俄国女数学家、作家、政论家。莱昂哈德·欧拉（LeonhardEuler，1707年4月15日－1783年9月18日），瑞士数学家和物理学家，近代数学先驱之一。出处360百科相关词条。

[14] 新华网《科学家研制出比米粒还小的光学陀螺仪》2018-10-29文。

[15] 描述物体提转动状态的物理量。如质点的质量为m，速度为v，它关于o点的矢量为r，则角动量为mv。出处《中国大百科全书》（第一版）物理学。

[16] 参考自东方竹马〉《社科政教人文历史》〉《史上最神奇的立方体！推不倒、自翻身、自重组！》2016-8-28网文。

[17] 角速度的单位的弧度/秒，即1/秒。出处《中国大百科全书》（第二版）。

[18] 正弦信号经过不同的时间或不同的网络后可以有不同的相位。通常所谓的相位测量是指对两个同频率信号之间相位差的测量。出处《中国大百科全书》（第一版）电子学与计算机。

[19] 参考《中国航天》杂志2016年第11期《天宫飞天的“定海神针”——记天宫二号控制力矩陀螺》作者王一琳。

[20] 全球导航卫星系统(GNSS)是基于卫星的导航系统，可提供高精度的定位、测速和授时数据，具有全天候、全球覆盖和误差无积累等优点。捷联惯性导航系统（SINS）做为重要的导航设备在航天、航空、航海和陆地导航中已经得到了广泛应用。