解析陀螺仪的核心内涵

胡  良
摘要：陀螺仪原理，一个旋转物体的旋转轴，其所指的方向在不受到外力影响时，保持不变。根据陀螺仪原理，可用陀螺仪来保持方向。陀螺仪在工作时，先给它一个力，使其快速旋转运动起来。再用多种方法读取旋转轴所指示的方向，并自动将该数据信号传给控制系统。陀螺仪有两个特性，定轴性及进动性；这两种特性实际上就是角动量守恒定理的具体应用。
关键词：陀螺仪，光子，量子场论
作者：总工，高工，硕士
The logic of the gyroscope
                          Hu Liang
Abstract：
The energy constant (Hu) is the smallest energy unit,Hu = h * C=Vp*C^(3), which reflects the intrinsic relationship between the vacuum speed of light (C) and Planck's constant (h).

1引言
陀螺仪原理，一个旋转物体的旋转轴，其所指的方向在不受到外力影响时，保持不变。
根据陀螺仪原理，可用陀螺仪来保持方向。陀螺仪在工作时，先给它一个力，使其快速旋转运动起来。再用多种方法读取旋转轴所指示的方向，并自动将该数据信号传给控制系统。
陀螺仪有两个特性，定轴性及进动性；这两种特性实际上就是角动量守恒定理的具体应用。
陀螺仪定轴性，当陀螺转子以高速旋转运动时，如果没有任何外力矩作用于陀螺仪上，则陀螺仪的自转轴在惯性空间中的指向将保持稳定不变（指向一个固定的方向）；同时，可反抗任何改变转子轴向的力量。
换句话说，定轴性就是三自由度陀螺仪的基本特性。无论基座绕陀螺仪自转轴转动，还是绕内框架轴（或外框架轴）方向转动，都不会直接带动陀螺转子一起转动(指转子自转之外的转动)。由内及外框架所组成框架装置，可将基座转动与陀螺转子隔离开来。这样，如果陀螺仪自转轴稳定在惯性空间的某个方位上，而当基座转动时，其仍会稳定在原来方位上。
陀螺仪进动性，当转子高速旋转时，若外力矩作用于外环轴，陀螺仪将绕内环轴转动；而若外力矩作用于内环轴，陀螺仪将绕外环轴转动。其转动角速度方向与外力矩作用方向互相垂直。换句话说，进动性是三自由度陀螺仪的基本特性，当绕内框架轴作用外力矩时，将能够使高速旋转转子自转轴产生绕外框架轴的进动；而绕外框架轴作用外力矩时，将能够使转子轴产生绕内框架轴的进动。
2陀螺仪的内涵
为了提高陀螺仪的精度，开发出了干涉式陀螺仪及谐振式陀螺仪。其原理是角动量守恒定理在光子（电磁波）上的具体应用。
当光束在一个环形通道中前进时，假如环形通道本身就具有一个转动速度，则光线沿着这个通道转动方向前进所需要的时间，将会比沿着这个通道转动相反方向前进所需要的时间要多。
换句话说，当光学环路转动时，在不同的前进方向上，光学环路的光程相对于环路在静止时的光程都将会产生变化。
根据这种光程的变化，如果使不同方向上前进的光（电磁波）之间产生干涉效应来测量环路的转动速度，就能制造出干涉式光纤；如果利用这种环路光程的变化来实现在环路中不断循环的光之间的干涉，即，通过调整光纤环路的光（电磁波）的谐振频率进而测量环路的转动速度，就可制造出谐振式的光纤陀螺仪。
干涉式陀螺仪在实现干涉时的光程差小，故所要求的光源可以有较大的频谱宽度；而谐振式的陀螺仪在实现干涉时，其光程差较大，故所要求的光源必须有很好的单色性。
3陀螺仪的逻辑
根据量子三维常数理论（即能量常数理论），陀螺仪的逻辑其实就是角动量守恒定理。
从定性（即量纲）的角度来看，
陀螺仪可表达为：{[L^(3)T^(-1)]* [L^(2)T^(-1)]}* [L^(1)T^(-1)]。
其中，量纲，{[L^(3)T^(-1)]* [L^(2)T^(-1)]，表达了角动量的量纲。
从定量的角度来看：
对于光子来说，陀螺仪可表达为：
Hu=Vp*C^(3)=h*C=[(Vp*f)*(C*λ)]*C；
其中，[(Vp*f)*(C*λ)]表达光子的角动量。
这就是干涉式陀螺仪及谐振式陀螺仪的逻辑。
对于N个基本粒子组成的孤立（量子）体系来说，陀螺仪可表达为：
N*Hu=N*Vp*C^(3)=Vn*Sn^(3)=[N*(Vn/N)]*Sn^(3)=hn*Sn
=[N*(hn/N)]*Sn=[(Vn*fn)*(Sn*λn)]*Sn。
其中，[(Vn*fn)*(Sn*λn)]表达了角动量。
这就是常用陀螺仪的逻辑。
总而言之，所有陀螺仪的逻辑，从本质上来说，都是角动量守恒定理。