陀螺(gyroscope; gyro)是指工程中具有固定点的、绕
对称轴做高速自转的对称刚体。其自转轴称为陀螺主轴。由于支承形式、刚体形状和质量分布的不同而有各种形式的陀螺。陀螺的
转速高,所以它具有一些特殊的
动力学特性。
18世纪
欧拉建立的动力学方程和
欧拉运动学方程,为陀螺运动的理论奠定了基础。但是制造出一个实用的陀螺却经历了长时间的探索。19世纪中期,随着钢制外壳
船舶的出现,原来所用的
磁罗盘不再适用,因而用陀螺导航的要求日益迫切。在
第一次世界大战中,
美国海军制成了陀螺导航仪,并很快被其他国家所采用。随着
航海和航空事业的发展,
陀螺仪已成为不可缺少的精密导航仪器。20世纪初出现了飞机的陀螺稳定器和
自动驾驶仪。但直到1940年后,
陀螺罗盘才完全代替了
磁罗盘,1950年出现了
惯性导航系统。
不论制造得多么精密的陀螺,要完全消除
轴承的
摩擦力并使
质心和支点重合是不可能的,因而就会产生外加
干扰力矩的作用,引起陀螺转子
自转轴的缓慢
进动,称为
陀螺漂移。这时的进动
角速度称为漂移角速度。陀螺漂移角速度的大小是衡量陀螺精度高低的标志。为最大限度地减少漂移,近代陀螺的研究课题主要是如何实现无干扰力矩的支承。主要途径是用
电场力来代替支架,实现无支承悬浮。如果
转子是个标准的球形,则电场力通过其中心,从而实现无摩擦的悬浮。另一个途径是用
磁场力来实现转子的悬浮,但要求转子必须是用
超导体制造的,才能使
磁力线垂直于球形转子的表面且不穿透它的表面。这就是近代电陀螺和磁陀螺的基本设想。
高速自转的三自由度陀螺的自转轴具有稳定性,这就是陀螺运动的稳定性,是陀螺运动的又一个
力学特性。
大型
电机转子的
转动轴受到
轴承约束,但在转轴变形时,转动轴可在
空间改变方向,伴随产生的
陀螺效应将改变转子的
临界转速。
地球绕南北极轴自转,自转角速度极为缓慢,但因自转动量矩十分巨大,因此地球也是一个内充
液体外带
气圈的大陀螺。地球南北极轴在星空的指向也以25,800年为
周期缓慢改变,称为
岁差。航天器为了稳定与控制自己的姿态运动,常在内部安装动量飞轮(一个或三个),称为陀螺体卫星。因此,只要能绕某轴转动,而此轴又可绕某汇交轴转动的刚体或准刚体,一般都可称为陀螺。
使陀螺的转子作惯性转动的陀螺仪可实现惯性导航。但是由于地球本身的自转,这种陀螺的转轴并不指向地球上的某个固定方向。用于
导航上的陀螺它的自转轴应一直指向北方,因此必须给陀螺加上一个同地球的自转角速度相等的进动角速度,并使外环轴和转子的
自转轴永远处于
子午面内。这种始终指向地球北方的
陀螺装置称为
陀螺罗盘。同样也可以制造用于表征飞机姿态的各种专用陀螺。