平衡环 (平衡环原理)

平衡环(早期的陀螺仪)

平衡环，或称平衡陀，是现代陀螺仪的基础。在欧洲又称为卡丹环， 以义大利数学家吉罗拉姆·卡丹（Girolamo Cardano或Jerome Cardan，1501—1576）的名字命名。但是卡丹既没有发明过也没有声称他发明过这种装置，并说明平衡环装置只是在他的名着《精妙事物》（De Subtilitate，公元1550年）中描述过，这种装置早在公元9世纪便在欧洲出现。

基本介绍

中文名：平衡环又名：平衡陀、卡丹环命名来源：吉罗拉姆·卡丹发明时间：公元前2世纪发明者：房风改进者：丁缓

简介

其实它早在公元前2世纪就已经在中国发明了。公元前140年，中国人房风发明了平衡环，公元189年中国人丁缓又改进了平衡环，后来传到了欧洲。到公元9世纪，着名科学家罗伯特·胡克等人套用该装置的原理造出了万向接头，又称万向节、万向支架、常平支架。就是这项发明使汽车的自动能量传输成为可能。中国人发明的平衡环比西方领先700年左右。

基本原理

平衡环装置是现代陀螺仪的基础。古代的陀螺，如右图所示，当处于迴转运动中的陀螺显倾斜状态时，其重力分量（p）会使它的中心轴线更加倾斜，但迴转效应又使其中心轴线向垂直方向（v）偏转。因此，一旦陀螺旋转之后就不会倒下，而是沿一锥面运动，称为进动。它的运动特性使孩童们感到极大兴趣，因此，它在中国作为一种玩具，一代代地传了下来。现代平衡环成为航空、航海必不可少的仪器，即陀螺仪表，或称迴转仪（gyroscope）。陀螺仪使航海成为可能，而且在现代飞机中是“自动领航”所必不可少的。现代的飞机、飞弹和轮船不论怎样急速在空中或海上运动，都能辨认方向，这是由于安装了陀螺仪的缘故。任何有幸进入公元19世纪吉普赛人大篷车的人, 都会注意到挂在壁上内装有灯的黄铜平衡环, 不管大篷车在路上怎样颠簸, 平衡环始终保持直立。这些联锁着的黄铜环可随意转动，但吊在其中的灯总不会翻转过来, 这就是平衡环的基本原理。一套环子内每环都在两个相对点上与另一环联结, 使它们可自由转动。这样, 如果一个重物如灯直立放于环的中心, 它将保持直立。不管灯周围的各环发生什幺运动, 吊着灯的环保持灯不运动。公元18世纪时, 中国航海家利用这种平衡环装配罗盘。用这种方式在船上装的罗盘, 可免除波浪颠簸的影响。

历史追溯

最早的关于平衡环结构的文字记载见于公元前140年司马相如写的《美人赋》。赋中描绘了一个迷人的场景：“金属环内含有燃烧着的香”（原文“金鉔薰笪，黼帐低垂”）。平衡环的发明者被认为是房风，虽然他本人身份不明。300多年以后，大约在公元189年，一个聪明的机匠丁缓被认为再次发明了平衡环。《西京杂记》记载说：“长安巧工丁缓者，为常满灯……又作卧褥香炉，一名被中香炉。本出房风，其法后绝，至缓始复为之。为机坏转运四周，而炉体常平，可置之被褥，故以为名。”丁缓还与走马灯或“魔灯”的发明有关。在此之后，平衡环便出现于古代文献中。公元692年，有人向女皇武则天献上“木製暖炉，虽然其中装有发热的燃料，但怎样转动也不会翻倒”（原文“木火通，铁盏盛火，辗转不翻。”见张族《朝野佥载》）。乾隆《杭州西湖志》（公元1734年）提到, 装上“联锁轴”, 其中有纸灯宠, 不管在街上怎样踢, 怎样滚动, 里面的灯火也不会熄灭, 因此称为滚灯。几个世纪以来, 各种各样的平衡装置名目繁多, 诸如香球、球灯、银袋、滚球和香篮等等．而他们作为日月的象徵定期用于每年舞龙队伍中, 放在翻动的龙之前。1100年以后, 平衡环装置传到了欧洲。又过了800年, 英国着名科学家罗伯特·胡克（Hooke Robert，1635-1703）等人在一种新的形态下採用了平衡环的原理, 即由外而内施用动力, 而不是由内而外地稳定中央物件, 从而构成了那种西方的发明, 即万向接头，又称万向支架、常平支架。

发展套用

平衡环结构随着科学技术的发展有很多重要的作用。提到平衡环的套用方面，最早的工作是1629年在罗马以拉丁文出版的一本《机械》（Le Machine）的着作，作者焦瓦尼（Branca Giovanni）是一位卓越的义大利工程师。在这本书里，他提出了利用蒸汽推动叶片的蒸汽涡轮机的设计。这种构思继续发展，就产生后来实现的汽轮机和涡轮机。也是在这本书里，他提出利用平衡环来减轻车辆在颠簸不平的道路上震动，以便运送病人。右图就是该书的一幅插图。真正把平衡环用在现代科学研究上，并且做出重要发现的是法国人佛科（Jean-Bertrand-Léon Foucault，1819-1868）。他在1851年提出利用高速旋转的陀螺来显示地球的自转。高速旋转的陀螺有保持旋转轴不变的性质。如果把陀螺放置在万向支架上，支架在地球上，地球旋转而陀螺的轴不旋转。经过不多的时间，陀螺相对于支架的变动就明显地说明地球的自转。佛科利用他前一年发明的佛科摆和这种陀螺仪雄辩地证明了地球地自转。所以佛科又称它为“转动指示器”。从此万向支架（平衡环）又有一个新地名字：陀螺支架。佛科一生身体不好，他主要靠在家自学和自己做研究。他还进行过光速的测量。他去世后他的论文由他的母亲出资出版。套用了平衡环结构原理的陀螺仪来到世界上，逐渐显示了它的广泛套用。在19世纪中叶，以蒸汽机驱动的轮船发明了，同时钢铁也大量作为造船材料。以前在航行中指示方向主要靠磁性罗盘，但是磁性罗盘在钢铁边上，指南性就不可靠了，这就要求人们寻求新的导航手段。陀螺仪的定向性正好可以代替罗盘的功能。1908年，德国人安休茨製成了第一架可以用于航行的陀螺仪，随后德国的海军在最早的潜水艇上和装甲军艇上装上了这种仪表。大约在1907年美国人斯派瑞（Elmer Ambrose Sperry，1860-1930）在一艘船上装上了陀螺仪，并且于1911年申报了专利。后来他于1921年生产了依靠陀螺仪的自动掌握轮船行驶方向的控制装置，随后，又利用陀螺的定向性製成了减轻船舶颠簸的稳定器。在第一次世界大战期间，德国与美国先后把陀螺仪用在飞机上作为飞机倾斜与转弯的指示。到了1929年9月，美国人多里特套用***电、陀螺水平仪、航向陀螺仪来控制飞行。在1931年美国人鲍格斯完成飞机盲目着陆，使在夜间与有云雾的天气下航行与降落成为可能。二次世界大战期间，德国人把陀螺仪安装到V-2飞弹上来控制飞弹的飞行。近来来陀螺仪的套用越来越广，除了用于航母、航空、航天、潜水艇与火箭导航外，还大量用于坦克与火炮的稳定，攻击鱼雷与飞弹的定向，车辆特别是单轨车辆的稳定，工作平台与测量仪器的稳定等等方面。也用于摄像平台的稳定，以保证摄得影像的质量。在公元9世纪，英国着名科学家罗伯特·胡克等人在一种新的形态下採用了平衡环的原理, 即由外而内施用动力, 而不是由内而外地稳定中央物件, 从而构成了那种西方的发明, 即万向接头。正是这个发明导致当今汽车的自动动力传送。

功能引申

平衡环结构最主要的功能，就是要在基座做任何角度的变化时，所支持的对象（薰香炉或陀螺）可以保持不变。也就是说，基座和对象之间应当有三个自由度的运动余地。如果把人的身体看作基座，把手掌看作对象，我们人的上肢就有这种功能。构想你如果坐在一把缓慢摇动的椅子上，你手里端着一碗水，无论椅子摇到什幺角度，你端的水要求“常平”。由于我们有腕关节、肘关节和肩关节三个关节的活动自由度，所以我们总是能够做到使这碗水“常平”的。因此我们的上肢实际上就是一个理想的“常平支架”。运动是相对的。套用了平衡环结构原理的被中香炉和陀螺仪支架是要求基座运动而被支持的对象不动。从另外的角度来看，要求基座不动而被支持的对象能够做各种姿态的运动，我们的上肢也正好符合这种要求，构想你的身体不动，要求你的手掌去朝向空间的任何方向，也是一点困难没有的。这就是说，我们的上肢这个支架可以使我们的手的方向“万变”。说明我们的上肢正好又是一个理想的“万向支架”。根据以上的讨论，其实说常平也好，说万向也好，只要有足够的自由度，支架不必一定要做成环形的。右图就是一个固定照相机的万向支架。只要适当调整几个旋转轴的角度，照相机的镜头可以指向任何方向。平衡环，两千多年以前中国的发明，在今天被派上了许多用场。随着机器人和自动控制等科学和技术领域的研究和发展，将来还会有更多的用场。