太空科学课（四）

太空熊猫君

今天我要发个朋友圈，因为手机上显示我走了15000步，妥妥的“运动小达人”！那你想过没有，手机是如何记录你的步数的呢？记录步数到底利用了什么科学原理呢？其实，天宫二号空间实验室中进行的一个太空实验早就告诉我们答案了！

翻滚的陀螺

2013年6月，航天员王亚平向全国中小学生展示了一系列的太空实验，其中第四个实验非常神奇：王亚平拿出 一个陀螺，让它悬浮在空中。随后，王亚平用手指轻触陀螺，陀螺受力，翻滚着向前飞去。接 下来，王亚平又取出另一个陀螺，通过抽动让它快速旋转起来，这个时候再轻推陀螺，虽然它依然会向前飞出，但是不再翻滚，不再改变自转轴的方向了。

快速旋转下不再翻滚的陀螺

陀螺的这个特性叫作定轴性：当陀螺快速旋转起来之后，如果我们只是轻触，不去刻意地转动它，它就不会改变自转轴的方向。转动陀螺的定轴性是无处不在的，只是在地面上受到重力和摩擦力等因素的影响，表现并不明显 ，到这个现象啦！

快速旋转下不再翻滚的陀螺

为什么会出现这个特性呢？我们可以对陀螺做一个受力分析。一个不旋转的陀螺，假设我们在左侧轻轻向下推动陀螺，正常情况下，陀螺肯定会朝这个方 向翻转。但当陀螺进行高速旋转的时候，我们在同样的位置推 动陀螺，情况就不一样了——推动的瞬间，左侧受到向下的推 力，陀螺的这部分会向下转动，同时右侧会向上运动。然而 别忘了，陀螺还在高速旋转呢，陀螺的左侧会快速地跑到右侧 ，而右侧向上运动的惯性还在，向上和向下的力相互抵消，整个陀螺翻转的 动作就停止了。看上去的结果就是旋转的陀螺被推动时，其自转轴可以永远 保持同一个方向而不会发生翻转，这就是转动陀螺的定轴性。

这个特性的原理听起来有些复杂，但已经被应用在很多领域了，在我们身边随处可见。通过这个特性，我们可以判断一个物体是否发生了抖动或者转动。科学家利用这个特性发明的陀螺仪，已经成为很多电子产品中非常重要的原伯。小到手机检测行走步数、拍照防抖的功能，大到船只、飞机、航天器的导航和姿态控制都离不开陀螺仪。

美国F-104战斗机上的陀螺仪

陀螺仪的发明者是法国物理学家莱昂·傅科，他最著名的成果就是发明傅科摆证明了地 球在自转。他设计的陀螺仪就是在一个万向支架中放置一个高速旋转的陀螺，由于定轴性的存在 ，无论我们如何移动、转动、震动整个装置，陀螺自转轴的朝向都保持不变，这样我们就可以用它 来判断方向和姿态了。最开始，陀螺仪主要被用于航海导航，帮助船员确认方向。后来陀螺仪被应用在航空领域，飞机在飞行的过程中很难确定方向的问题就迎刃而解了。二战期间，德国甚至用陀螺仪为导弹装备了惯性制导系统。

传统的机械式陀螺仪存在着一些问题：陀螺和轴承直接接触，存在摩擦力，对精度的影响很严重。经过改进，现在广泛应用的，无论是光纤陀螺仪还是集成式的振动陀螺仪，都具有体积更小、灵敏度更高等特点。

现在，陀螺仪种类繁多。很多智能手机都集成有 微机电陀螺仪（MEMS），虽然它还叫“陀螺仪”，但是外观上已经跟陀螺没有什么关系了。微 机电陀螺仪使用微/纳米技术，将微机电系统装置和电子线路集成到微小的硅片上，通过监测 转动后产生的电容变化，计算出角速度，就可以完成对运动的测量了。

再来看看我们身边最常见的智能手机吧！手机里 的陀螺仪能实现哪些功能呢？简直太多了：你在玩射击或者赛车游戏的时候，可以通过调整手机 姿态来进行控制;手机拍照的防抖功能也离不开陀螺仪，点击拍照按钮时产生的微小抖动很可 能会让你的照片模糊，通过陀螺仪监测手机运动，再结合图像处理器的算法，就可以把你的抖 动补偿回来，为你呈现一张清晰的照片：陀螺仪還可以辅助导航，当我们身处隧道、导航信号 丢失的时候，手机能够通过陀螺仪感知你的方向和速度，重新计算你所处的位置。最后我们再 重新看下文章开头的那个问题：手机是如何知道你走了多少步的？就是微机电陀螺仪结合加速传 感器计算出来的！

随着增强现实、虚拟现实等技术的兴起，陀螺仪 在未来将会发挥更大的作用。而它的基本原理，正是本次太空授课中王亚平为我们演示的实验 。

下一个太空实验，王亚平将为我们展示在生活中 几乎无处不在的水和太空中的水有什么不一样的地方，敬请期待吧！805C3199-4521-433B-AB66-C28A7984D0D7