將一個陀螺放置在桌面上,它會向一個方向傾倒,但如果將其旋轉起來,它便能夠穩穩地立在桌子上,只要旋轉不止,它就不會傾倒。
一個旋轉著的陀螺的穩定性與這個陀螺的轉速有著直接的關系,轉速越快,陀螺就越穩。這是因為旋轉著的物體都有一個轉軸,這個轉軸的方向是不容易輕易改變的,這是由旋轉物體的特性所決定的,轉動速度越快,轉軸的方向便越難以改變。所以當我們為一個旋轉的陀螺提供一個支點,那么這個陀螺便會豎直地在支點上轉動,轉軸始終指向上方,但是如果我們將旋轉的陀螺以一定的傾斜角度放置在這個支點上,它就會保持原有的傾斜角度在支點上轉動,同時陀螺本身還會圍繞支點做圓周運動。
根據陀螺的特性,人類設計出了另一個東西,那就是陀螺儀。
陀螺儀從外表看起來與陀螺很是類似,而實際上它也就是將一個旋轉著的陀螺安裝在了一個萬向支架上。由于轉動著的陀螺的轉軸方向很難改變,所以不論我們如何轉動萬向支架,中心的陀螺都能夠始終保持穩定,而不出現方向上的改變。這看起來似乎很是奇妙,但我們的古人其實早就制造出了類似的東西。如果你喜歡看一些古裝宮斗劇就會發現,里面的妃嬪在冬天的時候總是掛著一個球形的鏤空暖爐,里面裝有炭火,這些炭火為什么不會傾瀉出來將人燙傷呢?
古代暖爐中的炭火之所以不會傾瀉出來,就是因為這個暖爐的結構就是一個萬向支架,支架的中心裝有炭盆,無論外部的結構如何晃動,里面的炭盆都能夠保持穩定,所以炭火不會掉出。
我們所說的陀螺儀其實就是把球形暖爐中間的炭盆換成了陀螺。那么陀螺儀有什么用呢?它的作用就是測量物體的姿態。因為陀螺儀中心的陀螺方向不會發生變化,所以當我們將一個陀螺儀安置在一個物體之中時,只需要測定陀螺儀外部支架與陀螺之間各個方向的角度,就可以測定一個物體的具體姿態了。在日常生活中,很多東西都需要用到陀螺儀,下到航海,上到航天,當然還有我們的手機。
陀螺儀是智能手機不可或缺的一個重要部件,沒有陀螺儀,那么智能手機的多數功能基本無法實現,因為很多功能都需要精確了解手機的具體姿態。
雖說手機少不了陀螺儀,但怎么看,我們的手機里都不像是裝備了這個東西,因為手機內部的空間實在是有限,似乎沒有安裝這個東西的地方。事實上如果我們將手機拆開,確實也看不到陀螺儀,這是怎么回事呢?手機中的確安裝有陀螺儀,但是手機中的陀螺儀與剛才我們所講的陀螺儀并不相同,它雖然也叫做陀螺儀,但與陀螺就沒有什么關系了,從外觀上來看,它就是一個邊長只有幾毫米的黑色小方塊。
這個黑色的小方塊有著一個名字,叫做“微機電陀螺儀”。
微機電陀螺儀雖然也叫陀螺儀,但無論是外在還是內在,都與陀螺沒有什么關系,它之所以能夠測定物體的姿態,是利用了科里奧利力。科里奧利力是由法國氣象學家科里奧利所提出的,簡言之就是在一個旋轉的系統里,如果有一個直線移動的物體,那么就會受到這個旋轉系統的影響,移動路線發生偏轉,變為一條曲線。地球在自轉,所以地球就是這樣一個旋轉系統,由于地球自西向東旋轉,所以在北半球,不論從哪個方向吹來的風,都會向右偏轉,而在南半球則恰好相反,風會向左偏。
明白了科里奧利力,就可以來說說微機電陀螺儀了。
微機電陀螺儀內的主體就是一個質量塊,這個質量塊會在交替變化的電壓作用下做來回振蕩運動,這種運動本質上就是一種直線運動,當陀螺儀開始轉動時,受科里奧利力的影響,這個水平振蕩的陀螺儀就會發生偏轉,也就是說此時它不僅有水平運動,還有垂直運動。運動方式的改變會使電容值發生微小的變化,而通過感知這種微小的變化就可以了解物體姿態的變化。當然,單個微機電陀螺儀只能感知一個方向上的姿態變化,但在手機中裝上兩三個,就能夠全方位準確識別手機的姿態,畢竟這個東西很小,也不占什么地方。