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，不論是豎直擺放手機還是橫向擺放，畫面都會自動調(diào)整到適合的大??；玩游戲時移動手機的位置可以實現(xiàn)意想不到的設(shè)計效果；拍照時即使手部輕微抖動，也不會影響畫質(zhì)的清晰穩(wěn)定。

想要實現(xiàn)上面這些功能就離不開我們手機中一個非常重要的組件-----陀螺儀。這個名字聽起來甚是熟悉，他不是以前火車上經(jīng)常售賣的玩具嗎？那我們就從這個最經(jīng)典的機械陀螺儀講起。

當我們拉動細線，讓中間的轉(zhuǎn)子快速轉(zhuǎn)動時，她的旋轉(zhuǎn)軸總是指向一個相對固定的方向，這一物理現(xiàn)象被稱為陀螺的定軸性，除此之外，陀螺還有一個神奇的特性，進動性。

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

基于以上兩種特性，在陀螺的外面加上一個萬象支架就會發(fā)現(xiàn)，無論外圍的支架如何變化，高速旋轉(zhuǎn)的陀螺總是穩(wěn)定不變的據(jù)西漢《西京雜記》記載，早在我國古代就出現(xiàn)過類似的“被中香爐”，無論外面的熏球如何滾動，里面的香盂總會保持水平狀態(tài)。

在此之后，相當長的一段時間里，陀螺儀只是在生活中進行著簡單的應(yīng)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，它才開始走進科學(xué)的視野。其中最早應(yīng)用陀螺儀的便是航海領(lǐng)域。

我們就假設(shè)將一個陀螺儀放置在一艘輪船上來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(zhuǎn)子和其旋轉(zhuǎn)軸具有較大慣性，只要不直接施加扭矩，就會保持原有姿態(tài)，而外環(huán)軸可以靈活轉(zhuǎn)動，因此就會發(fā)生相對旋轉(zhuǎn)。

第二種情況，船體發(fā)生了Pitch搖晃，也就是俯仰。這時，相應(yīng)方向上的內(nèi)環(huán)軸會發(fā)生轉(zhuǎn)動，而內(nèi)部的轉(zhuǎn)子和旋轉(zhuǎn)軸依舊會保持平衡。

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

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

現(xiàn)在隨著物理學(xué)的不斷進步，陀螺儀的類型也越來越多，精度也日益提高，那么回到開頭提到的手機陀螺儀，它到底長什么樣子？又是如何放置在手機中的呢？

其實現(xiàn)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似的微機電陀螺儀，它的工作原理也不再是角動量守恒，而是一種實際并不存在的力-----科里奧利力。

我們可以通過一個簡單的實驗進行理解，兩位實驗者分別坐在支架的兩端，互相拋球，這時能夠輕松地接到對方的球，但是一旦支架旋轉(zhuǎn)起來，事情就變得不簡單了。以房間為參考系，球還是直直地拋出了，但是從實驗者的視角觀察球走的并不是直線，而是拐了一個彎。

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

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，緊接著，隨著陀螺儀的旋轉(zhuǎn)，橫向的電容板就可以測量科里奧利力帶來的電容變化，又因為科里奧利力與角速度成正比，所以通過電容變化就可以計算出角速度，當然，這還只是一個軸向的運動變化，如果xyz軸都能顧及到，就能實現(xiàn)360度無死角測量的陀螺儀了。

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