От волчка к современным гироскопам. 
Гироскопу — 160 лет

Всем хорошо известна и с детства знакома такая игрушка, как волчок. Можно с уверенностью сказать, что нет ни одного ребенка (да и взрослого человека), которого бы не удивило и не восхитило поведение быстровращающегося волчка. Но гироскоп знаком только специалистам в области гироскопии, а массовому читателю эта «невидаль» кажется загадочной и непостижимой.

160 лет назад, 27 сентября 1852 года, французский ученый Леон Фуко представил Парижской академии наук два доклада о двух свойствах быстровращающегося волчка, который он назвал гироскопом — от греч. г? спт «круг» и укпрЭщ «смотрю». Кстати сказать, в докладах Л. Фуко не содержалось ни одной математической формулы, тогда как современное описание поведения любого гироскопа не обходится без сложных уравнений.

По замыслу автора гироскоп способен фиксировать факт вращения основания (в частности, может быть использован в качестве измерителя вращения Земли).

В настоящее время об этих свойствах гироскопа (свойстве устойчивости и свойстве прецессии) достаточно понятно и доходчиво может рассказать любой студент 1 курса специальности «Приборостроение» СГТУ. Но в середине XX века доклады Л. Фуко вызвали огромный интерес ученых и стали по существу первыми научными публикациями, заложившими основы зарождения новой отрасли знаний — прикладной гироскопии. В практическом отношении Л. Фуко предложил только две схемы построения гироскопических приборов. В настоящее время номенклатура современных гироскопов насчитывает более сотни типов схем построения гироскопических приборов.

До Леона Фуко были опубликованы немногочисленные, но глубокие обстоятельные теоретические исследования в области теории волчка-гироскопа (Л. Эйлера, 1758; Л. Лагранжа, 1782; С. Ковалевской, 1888). Работы этих ученных легли в основу будущей науки — теории так называемых классических (роторных) гироскопов.

Развитие гироскопии за 1,5 века шло в основном по трем направлениям: развитие теоретических (фундаментальных и прикладных) основ гироскопов;практическое освоение и расширение производства гироскопических приборов и систем; внедрение гироскопических приборов и систем в различные области практического применения и расширение этих областей.

В настоящее время ни один подвижный объект (ни летательный, ни морской, ни баллистический, ни космический) не может обойтись без гироскопических приборов и систем. Гироскопы с конца XX века стали применяться в технических и коммерческих целях и на наземных аппаратах (автомобилях, беспилотных роботах, внутритрубных инспектирующих снарядах, в системах персональной навигации и др.).

В первой половине XX века с подсказки ученых-физиков ученым-гироскопистам стало ясно, что свойствами инерциальных измерений обладает не только быстровращающиеся роторы гироскопов, но и естественные роторы — волчки, созданные самой природой — атомы. Атомы и его элементы (протоны p и электроны e) обладают так называемым спином (параметром, характеризующим фактор вращения). Наличие у атомов, протонов и электронов спинов дает им возможность реагировать на вращение подвижного основания. Эти свойства послужили основанием для создания так называемых атомных гироскопов. Однако прошло более полувека и оказалось, что переход от макроскопических масштабов, характерных для классических роторных гироскопов, к микроскопическим масштабам, характерным для атомных гироскопов, применительно к прикладной гироскопии оказался непомерно трудным в принципиальном к практическом отношении.

Однако наука и техника измерений параметров пространственного движения подвижных объектов не стояла на месте. Во второй половине XX века выяснилось, что быстровращающийся ротор является не единственным инерциальным чувствительным к параметрам пространственного состояния подвижного основания элементом.

Еще задолго до открытия в 1961 году советскими и американскими учеными квантового оптического генератора (лазера) ученому миру был известен факт реагирования на вращение основания замкнутого оптического контура, по которому с огромной скоростью (с=3*108 м/с) «бегают» лучи света (эффект Саньяка, 1913).

После открытия лазера эффект Саньяка во второй половине века стал теоретической и практической основой для создания лазерного гироскопа, а в дальнейшем более современных оптических гироскопов — волоконно-оптических /ВОГ/ и микроопических /МОГ/ гироскопов.

К началу XXI века ученым в области гироскопии стало понятно, что инерциальными свойствами, используемыми для измерения параметров пространственного движения подвижного основания, обладает не только быстровращающиеся роторы, но и любые элементы произвольной физической природы (механической, акустической, оптической), совершающие те или иные колебания и формирующие механические или электромагнитные волны.

В настоящее время наука и техника в области гироскопии имеет дело как с классическими, так и с волновыми гироскопами. Однако первое десятилетие XXI века ознаменовалось общей тенденцией в бурном переходе практических интересов ученых, инженеров, разработчиков и потребителей от классических (роторных) гироскопов к волновым гироскопам (лазерным, волоконно-оптическими, микрооптическим, микроакустическим, вибрационным твердотельным, микромеханическим, электромагнитными волновыми и др.) Однако это не означает, что настала пора отказываться от классических (роторных) гироскопов. Роторные гироскопы еще найдут себе работу и на земле, и на воде, и в воздухе и в далеком космосе.

Прикладная гироскопия, как отрасль науки и техники, к началу XXI века за 1,5 столетия значительно обогатилась большим объемом знаний в области гироскопии, накопленным опытом производства, настройки, калибровки и выставки гироскопов в эксплуатации, значительно расширилась за счет номенклатуры новых и новейших гироскопов. Появилась потребность в систематизации и обобщении накопленного богатого материала и знаний в области прикладной гироскопии. В связи с этим появление нового учебника «Прикладная теория гироскопов» (авторы — профессоры Лукьянов Д. П., Распопов В. Я., Филатов Ю. В.) следует признать своевременным и актуальным по своему значению. Это — своеобразный подарок к 160-летию прикладной гироскопии (27 сентября 2012 года). К чести кафедры приборостроения СГТУ им. Ю. А. Гагарина профессору этой кафедры Плотникову П. К. ведущей организацией нашей страны (ГНЦ РФ ОАО «Концерн «ЦНИИ Электроприбор») поручено выполнение очень важной и ответственной функции — рецензирование подготовленной рукописи учебника. Какой будет учебник по прикладной теории гироскопов — покажет время.

Хотелось бы надеяться, что многолетний (около полувека) вклад ученых-гироскопистов кафедры приборостроения, всего СГТУ и города Саратова в развитие отечественной отрасли производства и эксплуатации гироскопов не останется незамеченным в учебнике века по прикладной гироскопии.

Перед человечеством ставятся все новые и более масштабные задачи и проблемы. Впереди освоение дальнего и сверхдальнего космоса, достижение новых уровней точностей решения задач ориентации и навигации наземных, подземных, летательных, морских, баллистических и космических аппаратов. Но все это практически решить невозможно без прочной теоретической базы, которая излагается в учебнике.

Несомненно, можно сказать, что новое поколение гироскопистов (студентов, специалистов, бакалавров, магистров) будет учиться в нашей стране уже по новому учебнику, с новым пониманием роли гироскопов в практической деятельности человеческой цивилизации.