Человечество всегда испытывало потребность в точном определении координат — собственно, из-за проблем с этим в прошлом, возникал целый ряд проблем. 

Новое время, уже в XX веке, принесло с собой и новые проблемы — скорости движения кардинально выросли, что, в свою очередь, осложнило сложившиеся методы определения координат. 

Тем не менее, тот же самый XX век принёс и кардинальное изменение в этой области,

А именно — определение координат с помощью всего лишь света!

 Впрочем, давайте обо всём по порядку… 

О чём вы думаете, когда вы слышите фразу «определение координат»? Думается, что «ну...некая спутниковая система…, навигатор…», и всё в этом духе? 

А если нет навигатора и если нет спутников (так как это было не всегда)? Наверное, людям предыдущих периодов пришло бы в голову что-то другое, а нынешним людям, наверняка, сразу вспомнится гироскоп!  

Воистину, это изобретение очень сильно изменило навигацию — и, если раньше, человечеству приходилось определять координаты во время движения в пространстве по известным ориентирам — географические известные объекты, небесные тела и их расположение на небосклоне, стрелка магнитного компаса и иные способы — то, теперь, появился гораздо более простой и надёжный способ: использовать свойство быстро раскрученного маховика сохранять направление своей оси вращения, если минимизированы воздействия, пытающиеся сместить эту ось, например, за счёт угла наклона судна, его резких перемещений в пространстве — для чего, этот маховик стали устанавливать внутри так называемого карданного подвеса, позволяющего судну (или иному аппарату, в котором установлен маховик) свободно менять своё направление и угол наклона в пространстве, практически полностью исключив негативное воздействие на маховик:

Как видим, оси рамок на картинке выше, могут быть снабжены системой тех или иных датчиков, благодаря которым можно отслеживать угол их поворота. 

Так как первые гироскопы начали появляться ещё в XIX веке, тогда ещё не было компактных и достаточно мощных электродвигателей, из-за чего, несмотря на первые попытки реализации, первые гироскопы были несовершенными, и, не обладая свойством постоянного поддержания вращения, довольно быстро останавливались. 

Но, всё стало меняться, с появлением электродвигателей — теперь стало реальным поддерживать вращение маховика сколько угодно долго, и, к тому же, на достаточно больших оборотах*, что позволяет тому успешно сопротивляться даже довольно существенным отклоняющим усилиям.

*По крайней мере, насколько удалось выяснить, уже к середине XX века механические гироскопы поддерживали скорость вращения до 24000 об/мин, при относительно небольшом размере (диаметре менее 2,5 см).

Очевидным плюсом механических гироскопов является их способность работать в сложных условиях, без непосредственной видимости ориентиров, а также, в условиях воздействия электромагнитных или магнитных помех.

Попутно, тут надо ещё оговориться о том, что если сам гироскоп обладает свойством, грубо говоря, удерживать направление своей оси, удерживая которое он и был раскручен — то, получится, в некоторой степени оторванная от окружающего мира система, где гироскоп постоянно удерживает некое направление. 

Да, такое устройство тоже может быть использовано для целей навигации, например, для удержания курса самолётов, однако, несколько большую пользу имеет превращение гироскопа в полноценный гирокомпас, для чего, его необходимо как бы связать с реальным миром, чтобы он постоянно показывал направление на север (подробнее можно почитать, например, вот здесь).

Тем не менее, механические гироскопы/гирокомпасы подобного рода — это всё равно достаточно габаритные устройства, сложные, как в изготовлении, так и поддержании в работе… 

Скажем, стоит упомянуть даже такой момент, без учёта которого, думается, что долговечность функционирования этих устройств могла бы быть меньше: гироскоп подвешивается с использованием спиральных (т.е. Покрытых спиральными канавками) гидродинамических подшипников: при вращении, подшипники такого рода буквально засасывают окружающую жидкостную среду, и между трущимися поверхностями возникает плёнка, на которой и «всплывает» удерживаемый, например вал:

Канавки на этих подшипниках изготавливаются методом высокоточного ионного травления, а получаемые в результате подшипники показали себя с максимально хорошей стороны: более 100000 часов наработки на отказ, во время которых может быть осуществлено до миллиона циклов запуска/остановки*.

*В подобных динамических системах частенько считают этот параметр, не в первый раз уже его вижу — «количество запусков/остановки», потому что, на начальном этапе, когда ротор ещё не раскрутился, он трётся прямо по поверхности подшипника, что, соответственно, приводит к повышенному механическому износу. 

Нечто подобное отслеживается и у винтовых воздушных компрессоров насколько мне известно — тоже довольно любопытная штука, по сути, где два спиральных вала, похожие на два сверла, вплотную к друг другу, вращаются и качают воздух, затягивая его в специальный паз, а на начальном этапе, пока система не разогналась — там тоже происходит касание валов друг друга:

Как мы все, наверное, знаем, на определённом этапе широко распространились и стали доступными интегральные миниатюрные гироскопы, изготовленные методами литографии — МЭМС типа (микроэлектромеханические системы), по сути, представляющие собой, также, механическое устройство, только очень маленькое, вибрационного типа — именно с ними большинству, наверное, и приходилось иметь дело, в составе, хотя бы того же самого популярного датчика для микроконтроллеров и не только — mpu-6050:

Логично было бы предположить, что любая механическая система будет критически подвержена в той или иной степени негативному влиянию инерционности движущихся масс.  

Проще говоря, механические гироскопы, несмотря на их широкое распространение, в значительной степени ограничены в своём использовании, так как относительно плохо держат физические перегрузки. 

Тем не менее, именно такие требования к гироскопам со временем и стали предъявляться — XX век показал, что подобные гироскопические системы могли бы быть очень полезны, в том числе, в военных применениях и, до какого-то момента им это удавалось — если, скажем, гироскопы устанавливались на относительно тихоходные корабли, и даже самолёты. 

Однако, как быть, если требуется установить гироскоп на ракету? Как показывает практика, до определённого момента, даже на ракеты устанавливались механические гироскопы (на видеохостингах можно найти большое количество разбора старых бросовых образцов, где явно видны гироскопические системы — но, это делалось, судя по всему, больше по вынужденности, так как на тот момент другого варианта просто не было).

Тем не менее, появление лазеров в середине XX века, изменило всё и в этой сфере — стало доступным изготовление (наверное, даже первый раз в истории!) гироскопов, где механики почти нет вообще! 

Так как принцип действия этого гироскопа мне лично кажется весьма удивительным и остроумным, думаю, что стоит на нём остановиться поподробнее…

Вообще говоря, это история началась очень давно, ещё в начале XX века и никак не была изначально связана с гироскопами: в конце XIX — в начале XX веков жил французский физик Жорж Саньяк (Georges Sagnac) который стремился доказать существование некоего «мирового эфира», ради чего, провёл занимательный эксперимент, оказавший, в итоге, большое влияние на дальнейшее развитие науки и техники — однако, чтобы понять его суть, нужно чуть-чуть сделать отступление в сторону, так как не все могут быть в курсе рассматриваемых вещей и дополнительно проговорить некоторые моменты… 

Как мы знаем, свет имеет волновую природу и представляет собой электромагнитные колебания довольно широкого частотного диапазона (ну или длин волн, если угодно), где часть из которого, мы можем наблюдать невооруженным взглядом (видимый свет), а часть не можем (например, радиоволны, рентгеновское излучение). 

Волновая природа света, в частности, порождает множество удивительных феноменов, ряд из которых мы уже рассматривали в прошлом, как например, обтекание волнами света преград и появление яркой светящейся точки прямо посреди тени за преградой («пятно Араго» — известнейший эксперимент), где помимо всего прочего, это подразумевает, что можно наблюдать за объектами, непосредственно не находящимися в прямой видимости, а, например, за углом и даже в нескольких километрах! 

Вкратце: совсем недавно это было невозможно, а сейчас стало реально — компьютер обратно декомпозирует интерференционную картину множества волн, проникших, грубо говоря из-за угла, и собирает из них заново изначальные волны, которые послужили для возникновения этой интерференционной картины; получается, как бы «непрямое зрение» — рассмотреть человека в нескольких километрах за углом, сидя в траншее? Why not…).

Волновая природа света приводит и к взаимодействию волн между собой (называемого «интерференцией»), в результате чего, в одном крайнем случае, может наблюдаться  конструктивная интерференция — когда амплитуды волн складываются и, грубо говоря, высота синусоиды становится больше по оси y, и деструктивная интерференция — когда, складывается пик одной волны и провал другой — в таком случае, волны взаимно гасят друг друга, вплоть до нуля и в этой области наблюдается отсутствие света.

Соответственно, это два крайних положения, между которыми возможно множество вариантов, в зависимости от того, как волны совпали друг с другом…

Собственно, всё это можно наблюдать на картинке ниже, где, красным цветом показано увеличение амплитуды волн (читай «яркости» — раз мы говорим в этом случае про свет), когда два пика совпадают друг с другом; также, можно кратко наблюдать момент, когда пик одной волны (например, зелёной) совпадает с провалом другой волны (например синей) — и в этом месте наблюдается красная прямая линия, то бишь, полное отсутствие яркости:

В результате, если сказать обобщённо, то наблюдается пространственное распределение зон яркости, например, как на картинке ниже, где показано множество вариантов:

С использованием этого эффекта можно строить интересные устройства, одно из которых и создал наш герой (Жорж Саньяк)! 

А придумал он следующее (пояснение будет ниже картинки): 

— что если, взять единый источник света, пропустить его через полупрозрачное зеркало, таким образом, чтобы часть света прошла сквозь него, а другая часть — отразилась вверх; по всему пути света поставлены зеркала, отражаясь от которых, первый и второй лучи света прошли по кругу, только в противоположных направлениях — друг напротив друга, и возвратились на детектор, например, фотопластинку.

Таким образом, в результате подобного эксперимента, на этой пластинке возникнет интерференционная картина из светлых и тёмных полос — что-то наподобие того, что мы могли видеть на картинке выше, где было показано множество вариантов интерференционных картин.

Казалось бы, ну и что тут такого? А вот что: предположим, что вся эта установка расположена на вращающейся платформе, и , теперь, если мы эту платформу попробуем крутануть в какую-либо сторону, например, рукой, вверх ( если смотреть на картинку чуть выше) — это приведёт к тому, что луч света, в чью сторону крутанули платформу (в нашем случае, это верхний луч) — будет вынужден пройти больший путь до пластинки детектора, в то время как нижний луч — пройдёт меньший путь, так как пластинка движется в его сторону! Потому что, после того как фотон света уже вылетел — фотопластинка тоже продолжает двигаться и, как бы «убегает» от фотона!

В результате, произойдёт именно то, что мы уже рассматривали чуть ранее — уже имеющаяся на пластинке интерференционная картина «поплывёт» — например, те линии, которые были ярко светящимися, пригаснут, а тёмные линии, наоборот, станут более яркими, то есть, визуально это будет похоже на то, как будто линии сместились!

Было выявлено, что подобное устройство обладает чрезвычайной чувствительностью к вращению, то есть, «чувствует» даже малейшие изменения длины пути, который проходят лучи: например, кое-какие данные свидетельствуют, что возможна регистрация даже угла поворота в 0,005 градусов в час! 

Правда, так как на тот момент на дворе шло ещё только начало XX века, само изобретение по большей части так и осталось научной разработкой, но настоящий звёздный час его наступил именно тогда, когда были изобретены лазерные источники света, а затем, и полупроводниковые их версии — вот тогда эта штука «выстрелила» по-настоящему! 

Судите сами: почти полное отсутствие механики, огромная устойчивость к перегрузкам, долговечность, высочайшая чувствительность! 

Причём, для создания такого гироскопа достаточно даже куска оптоволоконного кабеля, свернутого в кольцо:

А в промышленном варианте, будучи изготовленным в виде прозрачного моноблока, смотрится аппарат, пожалуй, даже чем-то похоже на какие-то нереальные технологии из фантастических фильмов (кстати, интересно, как там поживает Тони Старк? :-) ):

В дальнейшем, этот принцип стали использовать и для изготовления многоосевых гироскопов, также выполняемых в виде моноблоков, с интегрированными зеркалами:

Подытоживая, можно для себя отметить, что на этом примере, мы в очередной раз видим, что старые изобретения вовсе не заслуживают окончательного задвигания в ящик, — вместо этого, их переосмысление, возможно, на новой технологической и теоретической базе даёт такие новые возможности, которые на момент появления изначального изобретения даже и не предполагались…

Размещайте облачную инфраструктуру и масштабируйте сервисы с надежным облачным провайдером Beget.
Эксклюзивно для читателей Хабра мы даем бонус 10% при первом пополнении.