宇宙探索的宇宙知识—岁差和章动

蔚为大观的意思2023-04-28  24

在外力的作用下,地球自转轴在空间并不保持固定的方向,而是不断发生变化。地轴的长期运动称为岁差,而其周期运动则称为章动。岁差和章动引起天极和春分点在天球上的运动,对恒星的位置有所影响。

公元前二世纪古希腊天文学家喜帕恰斯是岁差现象的最早发现者。公元四世纪,中国晋代天文学家虞喜根据对冬至日恒星的中天观测,独立地发现岁差并定出冬至点每50年后退一度。牛顿是第一个指出产生岁差的原因是太阳和月球对地球赤道隆起部分的吸引。在太阳和月球的引力作用下,地球自转轴绕着黄道面的垂直轴旋转,在空间绘出一个圆锥面,绕行一周约需26,000年。

在天球上天极绕黄极描绘出一个半径约为235°(黄赤交角)的小圆,即春分点每26,000年旋转一周。这种由太阳和月球引起的地轴的长期运动称为日月岁差。德国天文学家贝塞耳首次算出日月岁差为5,03505(历元17550),今值为5, 0290966(历元20000)。

英国天文学家不拉德雷在1748年分析了1727-1747年的恒星位置的观测资料后,发现了章动。月球轨道面(白道面)位置的变化是引起章动的主要原因。白道的升交点沿黄道向西运动,约186年绕行一周,因而月球对地球的引力作用也有同一周期的变化。在天球上表现为天极(真天极)在绕黄极运动的同时,还围绕其平均位置(平天极)作周期186年的运动。同样,太阳对地球的引力也具有周期性变化,并引起相应周期的章动。岁差和章动的共同影响使得真天极绕着黄极在天球上描绘出一条波状曲线。

除了太阳和月球的引力外,地球还受到太阳系内其他行星的吸引,从而引起黄道面位置的不断变化,这不仅使黄赤交角改变,还使春分点沿赤道产生一个微小的位移(其方向与日月岁差相反),春分点的这种位移称为行星岁差。行星岁差使春分点沿赤道每年东进约013。

陀螺特性——定轴性

陀螺在旋转的过程中不会倒下,要归功于陀螺的第一个特性,叫做定轴性陀螺在转动时,如果作用在它上面的外力的力矩为零,由角动量定理可知,这时陀螺对于支点的角动量守恒,在运动中角动量的方向始终保持不变陀螺上的每一个点都在一个跟旋转轴垂直的平面里沿着一个圆周转动按照惯性定律,每一个点随时都极力想使自己沿着圆周的一条切线离开圆周,可是所有的切线都与圆周本身在同一个平面内因此,每一个点在运动的时候,都极力使自己始终停留在跟旋转轴垂直的那个平面上角动量守恒在生活中是随处可见的花样滑冰运动员把手收拢或者抱胸,她身体的一部分到转轴的距离变小,自转角速度变大,运动员就飞速旋转起来了

陀螺特性——进动性

陀螺的第二个特性是进动性当陀螺高速旋转时,陀螺的中心轴像是绕着一个竖立的杆子在转圈,这种高速自转物体的轴在空间转动的现象叫做进动这是因为当陀螺受到对于支点的重力的力矩作用时,根据角动量定理,角动量的矢量方向便随着陀螺的转动,描出一个圆锥体

其实,由于太阳和月球施加的潮汐力,我们的地球一直在不断地缓慢地进动着,长期的进动就成为岁差在我们的日常生活中,也可以常常看到进动,例如自行车在行驶过程中,如果它稍有歪斜,只要把车头向另一方稍微转动一下,车子就平衡了这是重力对于轮胎支点形成了进动力矩,促使车子恢复了平衡

陀螺的特性——章动性

陀螺的第三个特点是章动性陀螺不可能永无止境地旋转下去,当陀螺由于摩擦而开始慢慢下落时,所做的运动就是章动章动是指刚体做进动时,绕自转轴的角动量的倾角在两个角度之间变化,拉丁语的意思就是点头陀螺在做进动的同时,它的顶部还在做着“点头”运动

章动在天体中是一个非常常见的运动,地球也存在着章动,地球“点一次头”要花186年我国古代历法将19年称为一章,因此这种运动就被称为章动

陀螺仪,是一种用来感测与维持方向的装置,基于「角动量守恒」的理论设计出来的。陀螺仪多用于导航、定位等系统。

陀螺仪的特性:

1、定轴性: 陀螺在转动时,如果作用在它上面的外力的力矩为零,由角动量定理可知,这时陀螺对于支点的角动量守恒,在运动中角动量的方向始终保持不变 因此,每一个点在运动的时候,都极力使自己始终停留在跟旋转轴垂直的那个平面上

2、进动性:当陀螺高速旋转时,陀螺的中心轴像是绕着一个竖立的杆子在转圈,这种高速自转物体的轴在空间转动的现象叫做进动这是因为当陀螺受到对于支点的重力的力矩作用时,根据角动量定理,角动量的矢量方向便随着陀螺的转动,描出一个圆锥体

3、章动性:陀螺不可能永无止境地旋转下去,当陀螺由于摩擦而开始慢慢下落时,所做的运动就是章动章动是指刚体做进动时,绕自转轴的角动量的倾角在两个角度之间变化,拉丁语的意思就是点头

在天文导航和地形导航中利用惯性传感器(陀螺仪、加速度计)进行研究导航与制导的技术称为惯性导航。它是一种完全自主的导航技术,主要依靠测量载体的加速度(惯性)和转角,推算出载体的瞬时速度、位置和姿态。惯性导航的基础是载体的加速度测量(用加速度计)。导航期间,平台的稳定性需要陀螺仪来保证

基于以上,零偏科技采用航空航天器的自主导航技术一- 惯性导航技术,引入惯性技术中的核心器件“陀螺”,自主研发的地下管线惯性定位仪(惯性陀螺仪),对地下管道的三维位置信息进行精准测量,是国内最早从事研发地下管线惯性陀螺仪的团队,很多技术达到了国际领先水平。最小管径可以测到40mm。

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