斯佩里父子:研究永动机失败 却通过作死改变了现代人类的生活

2017-07-17 14:11:00 环球网 赵汗青 分享
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  【环球网无人机频道 记者 赵汗青】无人机没有飞行员也可以飞得很稳;云台让颠簸中拍摄的视频也稳如静止;平衡车可以逆重力而立;智能手机的体感应用与游戏简直让我们置身未来……各种各样的智能科技让我们的生活前所未有的爽,你是不是很好奇这些未来科技是怎么实现的?搞清楚这些并不需要读一本《十万个为什么》、而是只需要知道这对父子在上个世纪的一个发明。

  这对父子是斯佩里父子,父亲叫艾默尔·斯佩里,1860年10月12日生于纽约州科特兰。儿子叫劳伦斯·斯佩,生于1892年。

  老斯佩里和当时其它的发明家一样在尝试制作永动机,永动机当然做不出来,但却发明了基于陀螺仪的精确罗盘与稳定器。小斯佩里则对稳定器进行了改进,还通过多次“作死”证明了这个发明是神器。

  

  陀螺仪的原理正如我们小时候玩的陀螺,它旋转起来屹立不倒、它在外力的作用下还有独特的运动性质。利用这些性质可以赋予机器像人类一样的平衡感、还可以实现完全不依赖外部环境的导航。

  “罗马不是一天建成的”,今天的陀螺仪也不是一个人发明的。人们普遍认为是1850年法国的物理学家莱昂·傅科(J.Foucault)为了研究地球自转,发明了陀螺仪。机械式陀螺仪的万向支架源自中国古代的香炉。而斯佩里父子则发明了基于陀螺仪的精确罗盘与稳定器,并通过“作死”让大家相信了陀螺仪非常靠谱。

  

  1912年,年仅20岁的劳伦斯拿到了飞行执照,成为全美最年轻的飞行员,并在海军的监督下完善陀螺稳定器。陀螺稳定器赋予了飞机平衡感,让它不用控制也可以维持稳定的水平飞行,而在此之前的飞机必须依靠飞行员一丝不苟的操控才能维持平衡。但是当时的飞行员并不相信这个东西有用。

  于是一个星期天的清晨,小斯佩里偷偷把一架装有陀螺仪的水上飞机开上天,然后在座舱里躺下……地面上所有人都震惊于“有一架飞机在天上飞,但里面没有飞行员。”

  好在他成功的降落了,并且他开明的领导也没有惩罚他、反而让他赴法国参加飞行安全大赛。他在驾机飞过主席台时再度作死:助手离开座舱在机身上来回爬,而他则双手举过头顶……

  这次陀螺稳定器的工作依然给力,尽管重心来回变换,飞机却很快就能自动恢复平衡。这次飞行的影响也更加巨大,还被一家法国报纸誉为:“空中导航的历史性时刻。”

  多次“作死而不死”的行为让陀螺仪得到了飞行员们的信任,飞行员们依靠仪表可以在云里雾里飞行也不会迷失方向。而现在基于陀螺仪的更完善的飞行控制系统让飞行员的工作也变得更为轻松。

  

  陀螺稳定器让飞机的无人驾驶成为可能,将一架有人驾驶飞机装上陀螺稳定器、再配合无线电遥控装置,这就成了最早的无人机。斯佩里的无人机于1917年12月飞上蓝天,距离今年已经有整整一百年。

  

  经过一个多世纪的变迁,现在大部分的陀螺仪里已经都没有了旋转的机械陀螺,取而代之的是激光、光纤、或是微机电(MEMS)装置。但其发挥的作用是一样的,大家也依然称其为陀螺仪。

  

  陀螺仪首先让各种“傻大黑粗”的军事装备变得更加聪明:飞机的飞行变得更容易驾驭;坦克不管怎样颠簸炮管都可以稳住指向;

  

  武装直升机的机关炮可以随着飞行员的头盔转动……

  

  而微机电(MEMS)陀螺仪,重量轻、价格便宜量又足,一下将陀螺仪普及开来。它们赋予了无人机、手机、智能手环、平衡车、摄像头平衡感或体感。各种看似不科学的东西突然间进入了我们普通人的日常生活。

  

  有了陀螺仪加持的云台,纵使手抖成狗,拍出来的视频也稳如狗;

  

  有了陀螺仪感知体位,带上VR虚拟现实眼镜才可以身临其境、体感游戏也才成为可能。

  

  陀螺仪的用途远不止保持平衡或是感知使用者的体位,利用高性能的陀螺仪还可以实现惯性导航。陀螺仪可以测量出角速度、配合可以测量加速度的加速度计,通过积分算法就可以推算出位置。这样的导航方式虽然随着时间的延长误差会积累得越来越大,但却完全不依赖外部环境、不怕干扰与遮挡,它可以用于井下或水下导航、也可作为GPS等其它导航方式的补充。

  

  因为地球的不停旋转,用陀螺仪敏感地球的自传的角速度,还可以快速找到精确的北。这样的寻北仪广泛的应用于地震监测设备、雷达等。

  虽然陀螺仪是一个隐藏在各种设备里的小部件,但现在我们的生产与生活都离不开它了。(资料来源:中国商飞公司新闻中心、维基百科)

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