手機中的陀螺儀原理是什么？

陀螺儀的工作原理是什么？它是如何被放置在手機中的？

看視頻時(shí)，不論是豎直擺放手機還是橫向擺放，畫(huà)面都會(huì )自動(dòng)調整到適合的大??；玩游戲時(shí)移動(dòng)手機的位置可以實(shí)現意想不到的設計效果；拍照時(shí)即使手部輕微抖動(dòng)，也不會(huì )影響畫(huà)質(zhì)的清晰穩定。

想要實(shí)現上面這些功能就離不開(kāi)我們手機中一個(gè)非常重要的組件-----陀螺儀。這個(gè)名字聽(tīng)起來(lái)甚是熟悉，他不是以前火車(chē)上經(jīng)常售賣(mài)的玩具嗎？那我們就從這個(gè)最經(jīng)典的機械陀螺儀講起。

當我們拉動(dòng)細線(xiàn)，讓中間的轉子快速轉動(dòng)時(shí)，她的旋轉軸總是指向一個(gè)相對固定的方向，這一物理現象被稱(chēng)為陀螺的定軸性，除此之外，陀螺還有一個(gè)神奇的特性，進(jìn)動(dòng)性。

即如果外界施加一個(gè)作用或者力矩在轉子的旋轉軸上，那么旋轉軸并不會(huì )沿施力方向運動(dòng)，而是順著(zhù)轉子旋轉向前90度垂直于施力方向運動(dòng)。

基于以上兩種特性，在陀螺的外面加上一個(gè)萬(wàn)象支架就會(huì )發(fā)現，無(wú)論外圍的支架如何變化，高速旋轉的陀螺總是穩定不變的據西漢《西京雜記》記載，早在我國古代就出現過(guò)類(lèi)似的“被中香爐”，無(wú)論外面的熏球如何滾動(dòng)，里面的香盂總會(huì )保持水平狀態(tài)。

在此之后，相當長(cháng)的一段時(shí)間里，陀螺儀只是在生活中進(jìn)行著(zhù)簡(jiǎn)單的應用。直到1850年，法國物理學(xué)家萊昂傅科正式提出了陀螺儀一詞，它才開(kāi)始走進(jìn)科學(xué)的視野。其中最早應用陀螺儀的便是航海領(lǐng)域。

我們就假設將一個(gè)陀螺儀放置在一艘輪船上來(lái)具體講解陀螺儀的工作原理。

第一種情況，船體發(fā)生了Roll搖晃，也就是桶滾，由于轉子和其旋轉軸具有較大慣性，只要不直接施加扭矩，就會(huì )保持原有姿態(tài)，而外環(huán)軸可以靈活轉動(dòng)，因此就會(huì )發(fā)生相對旋轉。

第二種情況，船體發(fā)生了Pitch搖晃，也就是俯仰。這時(shí)，相應方向上的內環(huán)軸會(huì )發(fā)生轉動(dòng)，而內部的轉子和旋轉軸依舊會(huì )保持平衡。

第三種情況，船體發(fā)生了Yaw搖晃，也就是偏航。轉子旋轉軸兩端的連接頭就會(huì )發(fā)生相對旋轉。

綜上所述，在輪船發(fā)生同滾俯仰偏航時(shí)，陀螺儀就可以通過(guò)自身的調節，讓轉子和旋轉軸一直保持平衡，后來(lái)不僅僅是航海領(lǐng)域，航空航天以及軍事武器中都會(huì )使用以陀螺儀為核心的慣性制導系統。

現在隨著(zhù)物理學(xué)的不斷進(jìn)步，陀螺儀的類(lèi)型也越來(lái)越多，精度也日益提高，那么回到開(kāi)頭提到的手機陀螺儀，它到底長(cháng)什么樣子？又是如何放置在手機中的呢？

其實(shí)現在在電子產(chǎn)品中使用的并不是刻板印象中的陀螺儀，而是一種和芯片形狀類(lèi)似的微機電陀螺儀，它的工作原理也不再是角動(dòng)量守恒，而是一種實(shí)際并不存在的力-----科里奧利力。

我們可以通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)驗進(jìn)行理解，兩位實(shí)驗者分別坐在支架的兩端，互相拋球，這時(shí)能夠輕松地接到對方的球，但是一旦支架旋轉起來(lái)，事情就變得不簡(jiǎn)單了。以房間為參考系，球還是直直地拋出了，但是從實(shí)驗者的視角觀(guān)察球走的并不是直線(xiàn)，而是拐了一個(gè)彎。

如果將這種偏移歸結為一個(gè)外加力的作用，那么這個(gè)力就是“科里奧利力”。它和離心力一樣，并不是在慣性系中真實(shí)存在的力，而是慣性作用，在非慣性系內的體現。

那么，微機電陀螺儀是如何利用科里奧利力的呢？

首先給鏡像電容板施加震蕩電壓，使質(zhì)量塊被迫做徑向運動(dòng)，緊接著(zhù)，隨著(zhù)陀螺儀的旋轉，橫向的電容板就可以測量科里奧利力帶來(lái)的電容變化，又因為科里奧利力與角速度成正比，所以通過(guò)電容變化就可以計算出角速度，當然，這還只是一個(gè)軸向的運動(dòng)變化，如果xyz軸都能顧及到，就能實(shí)現360度無(wú)死角測量的陀螺儀了。

#陀螺儀##科技曼曼談##科技快訊##電容##電壓#