行動電話里的陀螺儀是個什么東西?它和現實中的陀螺儀有什么差別?

陀螺儀是行動電話里面的標配,不管是娛樂、學習還是旅行,幾乎都離不開它。那陀螺儀到底長什么樣呢?當年喬幫主在把第一臺陀螺儀放進iphone四之后,就做一段精彩的演示。

在其中的配圖里面,我們可以看到這樣一張大大的陀螺儀的照片,這個看上去很熟悉吧,也許很多人還玩過,甚至連玩過的場景都很類似。那么這高速旋轉的陀螺儀是怎么被縮小后放到行動電話里面去的呢?

事實上行動電話里面的陀螺儀已經不是我們想象中長得就像是個陀螺的陀螺儀了。至于它長成什么樣子,我們稍后會說到。現在先讓我們來解決第一個問題,為什么陀螺儀可以用來測量物體的姿態?這是由陀螺的特性所帶來的,我們都知道,當一枚陀螺旋轉起來之后,它就不會倒了,而且轉得越快、質量越大,這種不容易倒的趨勢就越明顯。所以基本上它的旋轉軸所指向的方向是不會輕易發生改變的。

比如當一枚陀螺垂直于地面旋轉起來之后,它的旋轉軸就會一直垂直于地面,不會變化,而當它跟地面成一定的夾角旋轉起來之后,它的旋轉軸相對于地面的夾角也是固定不變的。只不過此時它本身會在繞著支點做旋轉運動而已。并且這個旋轉運動的方向還是跟陀螺轉子旋轉的方向是一致的,這個叫做進動。正是這種不會輕易改變旋轉軸方向的特性,使它成為了測量物體姿態的最佳工具。當我們把它裝到一個萬向的支架上后,不管支架的方向、俯仰和翻滾如何變化,高速旋轉的陀螺在里面始終穩住不動。

如果我們在xyz方向上都分別畫出刻度的話,那么就可以通過不變的陀螺在變化的框架上所指出的位置,確定出物體姿態變化的精確數值了,這個就是陀螺儀,它真的很好用。航海需要它,航空需要它,獵殺潛航的魚雷需要它,九天攬月的火箭需要它,到了今天我們的智能行動電話也需要它。但問題就來了,你說前面幾個硬是要把轉著的陀螺塞進去,好像也能找出空間,但行動電話怎么個塞法呢?

結論很簡單,因為塞進行動電話的根本就是另外一個東西,雖然它也叫陀螺儀,但已經跟傳統的陀螺儀沒有太大關系了,它叫做微機電陀螺,依靠的是測量一種叫做科里奧利力的物理量,來測出物體偏轉的運動的。下面我就來詳細的解釋一下,第一個要知道的就是什么是科里奧利力,他說的是在一個旋轉的系統里面,當一個物體在進行直線運動時所受到的一種偏轉力,其結果就是本來應該走直線的他變成走曲線了。

有一個比較經典的實驗是在一個旋轉的木板兩端,分別坐著兩個實驗人員,他們互相朝對方拋出小球,按理說小球應該很容易就被對方接住,但就是在快要接住的一瞬間,那小球像是變戲法似的轉了一個彎,偏離了原本的路線,讓他們怎么都接不到。這個當然是一個小的旋轉系統里面比較明顯的例子。

其實當我們把這個小系統放大來到地球的尺度會發現地球本身也是這么個旋轉的系統,這就解釋了很多有趣的自然現象,比如北半球的風向右偏,南半球的風向左偏,北半球的熱帶氣旋是逆時針,而南半球的則是順時針。同樣的一條河流兩岸的沖刷情況卻并不一致等等。

甚至很多人會說,南北半球的人在方便完后沖馬桶時,那個漏下去的水的漩渦的方向都是不一樣的,到底是不是這樣的就不知道了,但理論上它確實是會受到科里奧利力的影響的。那么我們該怎么把它應用在微機電陀螺儀上面呢?首先我們用交替變化的電壓施加在陀螺儀內的一個質量塊上,讓他來做水平的來回震蕩。

這就像是讓坐在還沒有旋轉起來的木板上的兩名實驗員開始互相拋氣球來一樣。接著陀螺儀發生了旋轉,產生的科里奧利力,就讓原本只在水平方向上震蕩的質量塊,發生了垂直方向上的位移,跟旋轉起來了的實驗員扔出了偏轉的球一樣的道理。而陀螺儀內部敏感的電容可以識別出這兩塊發生垂直位移后電容值的細微變化,通過對于這個電容變化的測量和計算中就能得出陀螺儀的旋轉量了。

當然這還是一個軸向的,如果我們把三個放在一起設計,分別對于上下、左右和翻滾的話就能生產出三百六十度無死角的陀螺儀了。

這樣的陀螺儀長寬高只有三乘三乘一,單位是毫米,把它塞進行動電話里就毫無壓力了。

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