Подвес
Подвес — это поворотная опора, позволяющая вращать объект вокруг оси. Набор из трех подвесов, один из которых установлен на другом с ортогональными осями поворота, можно использовать, чтобы позволить объекту, установленному на самом внутреннем подвесе, оставаться независимым от вращения его опоры (например, вертикального в первой анимации). Например, на корабле гироскопы , судовые компасы , печи и даже держатели для напитков обычно используют подвесы, которые удерживают их в вертикальном положении относительно горизонта, корабля несмотря на качку и качку .
Карданный подвес, используемый для крепления компасов и т.п., иногда называют карданным подвесом в честь итальянского математика и физика Джероламо Кардано (1501–1576), который подробно его описал. Однако Кардано не изобрел подвес и не претендовал на это. Устройство известно с древности, впервые описано в III в. э. Филоном Византийским , хотя некоторые современные авторы поддерживают мнение, что у него может не быть ни одного идентифицируемого изобретателя. [1] [2]
История [ править ]
Впервые подвес описал греческий изобретатель Филон Византийский (280–220 до н. э.). [3] [4] [5] [6] Филон описал восьмигранный чернильный сосуд с отверстиями на каждой стороне, который можно повернуть так, что, когда любая грань находится сверху, можно окунуть перо и нанести чернила, но чернила никогда не вытекают через отверстия на других сторонах. Это было сделано путем подвешивания чернильницы в центре, которая была закреплена на ряде концентрических металлических колец так, что она оставалась неподвижной независимо от того, в какую сторону поворачивался горшок. [3]
В Древнем Китае Дин Хуан изобретатель и инженер-механик династии Хань (202 г. до н.э. – 220 г. н.э.) создал карданную курильницу около 180 г. н.э. [3] [7] [8] В сочинениях более раннего Сыма Сянжу (179–117 до н. э.) есть намек на то, что подвес существовал в Китае со II века до нашей эры. [9] (502–557 гг.) упоминается Во времена династии Лян , что подвесы использовались в качестве петель дверей и окон, а однажды ремесленник подарил переносную обогревательную печь , в которой использовались подвесы. императрице У Цзэтянь (годы правления 690–705) [10] Сохранившиеся образцы китайских подвесов, используемых для курильниц, относятся к ранней династии Тан (618–907 гг.) и были частью традиции изготовления серебра в Китае. [11]
Подлинность описания карданной подвески Филоном была подвергнута сомнению некоторыми авторами на том основании, что часть «Пневматики» Филона , описывающая использование кардана, сохранилась только в арабском переводе начала 9 века. [3] Таким образом, еще в 1965 году китаевед Джозеф Нидэм заподозрил арабскую интерполяцию . [12] Однако Карра де Во, автор французского перевода, который до сих пор служит основой для современных ученых, [13] считает пневматику по существу подлинной. [14] Историк техники Джордж Сартон (1959) также утверждает, что можно с уверенностью предположить, что арабская версия является точной копией оригинала Филона, и прямо приписывает Филону изобретение. [15] То же самое делает и его коллега Майкл Льюис (2001). [16] Фактически, исследование последнего ученого (1997) показывает, что арабская копия содержит последовательности греческих букв, которые вышли из употребления после I века, тем самым подтверждая утверждение о том, что это точная копия эллинистического оригинала . [17] Эту точку зрения недавно разделил и классик Эндрю Уилсон (2002). [18]
Древнеримский питекион автор Афиней Механикус , писавший во время правления Августа (30 г. до н. э. – 14 г. н. э.), описал военное использование механизма, похожего на карданный шарнир, назвав его «маленькой обезьянкой» ( ) . Готовясь к атаке прибрежных городов со стороны моря, военные инженеры связывали торговые суда вместе, чтобы подвести осадные машины к стенам. Но чтобы корабельная техника не катилась по палубе при сильном волнении, Афиней советует «закрепить питекион на платформе, прикрепленной к торговым судам посередине, чтобы машина оставалась вертикальной под любым углом». [19]
После античности подвесы оставались широко известными на Ближнем Востоке . На Латинском Западе упоминание об этом устройстве снова появилось в книге рецептов IX века под названием « Маленький ключик от живописи» ( mappae clavicula ). [20] Французский Виллар де изобретатель Оннекур изобразил в своем альбоме для рисования набор подвесов (см. справа). В ранний современный период сухие компасы подвешивались на подвесах.
Приложения [ править ]
[ править ]
В инерциальной навигации, применительно к кораблям и подводным лодкам, необходимо как минимум три подвеса, чтобы инерциальная навигационная система (стабильный стол) оставалась неподвижной в инерциальном пространстве, компенсируя изменения в рыскании, тангаже и крене корабля. В этом приложении инерциальный измерительный блок (IMU) оснащен тремя ортогонально установленными гироскопами для определения вращения вокруг всех осей в трехмерном пространстве. Выходы гироскопа поддерживаются на нулевом уровне с помощью приводных двигателей на каждой оси подвеса, чтобы поддерживать ориентацию IMU. Для этого сигналы ошибок гироскопа передаются через « резольверы », установленные на трех подвесах, по крену, тангажу и рысканию. Эти резольверы выполняют автоматическое преобразование матрицы в соответствии с каждым углом подвеса, так что необходимые крутящие моменты передаются на соответствующую ось подвеса. Крутящие моменты рыскания должны устраняться посредством преобразований крена и тангажа. Угол подвеса никогда не измеряется.Подобные сенсорные платформы используются на самолетах.
В инерциальных навигационных системах блокировка подвеса может произойти, когда вращение транспортного средства приводит к выравниванию двух из трех колец подвеса относительно их осей поворота в одной плоскости. Когда это происходит, больше невозможно поддерживать ориентацию сенсорной платформы. [ нужна ссылка ]
Ракетные двигатели [ править ]
В установках космических кораблей двигательных ракетные двигатели обычно устанавливаются на паре подвесов, чтобы позволить одному двигателю направлять тягу как по осям тангажа, так и по рысканию; а иногда на двигатель предусмотрена только одна ось. Для управления креном используются сдвоенные двигатели с сигналами управления дифференциальным шагом или рысканьем, автомобиля обеспечивающие крутящий момент вокруг оси крена .
Фотография и визуализация [ править ]
Подвесы также используются для крепления всего: от небольших объективов фотоаппаратов до больших фотографических телескопов.
В портативном фотооборудовании используются одноосные карданные головки, обеспечивающие сбалансированное движение камеры и объективов. [21] Это оказывается полезным при съемке дикой природы , а также в любых других случаях, когда используются очень длинные и тяжелые телеобъективы : головка подвеса вращает объектив вокруг его центра тяжести , что позволяет легко и плавно манипулировать при отслеживании движущихся объектов.
Очень большие карданные крепления в виде 2-х или 3-х осевых высотно-высотных креплений. [22] используются в спутниковой фотографии для целей отслеживания.
Гиростабилизированные подвесы, в которых размещено несколько датчиков, также используются для задач воздушного наблюдения, включая правоохранительные органы, проверку трубопроводов и линий электропередач, картографирование и ISR ( разведка, наблюдение и рекогносцировка ). Датчики включают в себя тепловизоры , камеры дневного света и слабого освещения, а также лазерный дальномер и осветители . [23]
Карданные системы также используются в оборудовании научной оптики. Например, их используют для вращения образца материала вдоль оси для изучения его угловой зависимости оптических свойств. [24]
Кино и видео [ править ]
Ручные 3-осевые подвесы используются в системах стабилизации, предназначенных для того, чтобы дать оператору камеры возможность независимой съемки с рук без вибрации или дрожания камеры. Существует две версии таких систем стабилизации: механическая и моторизованная.
Механические подвесы имеют салазки, включающие верхнюю часть , к которой крепится камера, стойку , которую в большинстве моделей можно выдвигать, а также монитор и батареи внизу, чтобы уравновесить вес камеры. Вот как стедикам остается в вертикальном положении, просто делая нижнюю часть немного тяжелее верхней и поворачиваясь на подвесе. Благодаря этому центр тяжести всей установки, какой бы тяжелой она ни была, находится точно под рукой оператора, что позволяет ловко и точно управлять всей системой с помощью легчайших прикосновений к подвесу.
Моторизованные подвесы, оснащенные тремя бесщеточными двигателями , способны удерживать камеру на одном уровне по всем осям, когда оператор камеры перемещает камеру. Инерционный измерительный блок (IMU) реагирует на движение и использует три отдельных двигателя для стабилизации камеры. Под руководством алгоритмов стабилизатор способен заметить разницу между преднамеренными движениями, такими как панорамирование, и отслеживанием кадров из-за нежелательного дрожания. Это позволяет камере казаться парящей в воздухе - эффект, достигнутый с помощью стедикама в прошлом . Подвесы можно крепить к автомобилям и другим транспортным средствам, таким как дроны , где вибрация или другие неожиданные движения делают штативы или другие крепления для камер неприемлемыми. Примером, популярным в индустрии прямых телетрансляций, является 3-осевой подвес камеры Newton .
Морские хронометры [ править ]
Скорость механического морского хронометра чувствительна к его ориентации. По этой причине хронометры обычно устанавливались на подвесах, чтобы изолировать их от раскачивания корабля в море.
Блокировка подвеса [ править ]
Блокировка подвеса — это потеря одной степени свободы в трехмерном трехкарданном механизме, которая возникает, когда оси двух из трех подвесов приводятся в параллельную конфигурацию, «запирая» систему во вращении в вырожденном двухшарнирном режиме. мерное пространство.
Слово «блокировка» вводит в заблуждение: ни один подвес не удерживается. Все три подвеса по-прежнему могут свободно вращаться вокруг своих осей подвески. Тем не менее, из-за параллельной ориентации двух осей подвесов невозможно обеспечить вращение вокруг одной оси.
См. также [ править ]
Ссылки [ править ]
- ^ Нидхэм, Джозеф. (1986). Наука и цивилизация в Китае: Том 4, Физика и физические технологии; Часть 2. Машиностроение . Тайбэй: Caves Books Ltd., стр. 229.
- ^ Фрэнсис К. Мун , Машины Леонардо да Винчи и Франца Рело: Кинематика машин от Возрождения до 20-го века , стр.314, Springer, 2007 ISBN 1-4020-5598-6 .
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б с д Сартон, Джордж (1959). История науки: эллинистическая наука и культура за последние три века до нашей эры . Кембридж: Издательство Гарвардского университета. стр. 349–350.
- ^ Картер, Эрнест Франк (1967). Словарь изобретений и открытий . Философская библиотека. п. 74 .
- ^ Сехер-Тосс, Ханс-Кристоф; Шмельц, Фридрих; Ауктор, Эрих (2006). Универсальные шарниры и карданные валы: анализ, проектирование, применение . Спрингер. п. 1. ISBN 978-3-540-30169-1 .
- ^ Кребс, Роберт Э.; Кребс, Кэролайн А. (2003). Революционные научные эксперименты, изобретения и открытия древнего мира . Гринвуд Пресс. п. 216. ИСБН 978-0-313-31342-4 .
- ^ Нидхэм, Джозеф. (1986). Наука и цивилизация в Китае: Том 4, Физика и физические технологии; Часть 2. Машиностроение . Тайбэй: Caves Books Ltd., стр.233.
- ^ Хэндлер, Сара (2001). Строгая яркость китайской классической мебели . Издательство Калифорнийского университета (опубликовано 1 октября 2001 г.). п. 308. ИСБН 978-0520214842 .
- ^ Нидхэм, Джозеф. (1986). Наука и цивилизация в Китае: Том 4, Физика и физические технологии; Часть 2. Машиностроение . Тайбэй: Caves Books Ltd., стр. 233–234.
- ^ Нидхэм, Джозеф. (1986). Наука и цивилизация в Китае: Том 4, Физика и физические технологии; Часть 2. Машиностроение . Тайбэй: Caves Books Ltd., стр.234.
- ^ Нидхэм, Джозеф. (1986). Наука и цивилизация в Китае: Том 4, Физика и физические технологии; Часть 2. Машиностроение . Тайбэй: Caves Books Ltd., стр. 234–235.
- ^ Нидхэм, Джозеф. (1986). Наука и цивилизация в Китае: Том 4, Физика и физические технологии; Часть 2. Машиностроение . Тайбэй: Caves Books Ltd., стр.236.
- ^ Хилл, ДР (1977). История технологий . Том. Часть II. п. 75.
- ^ Карра де Во: « Книга пневматических устройств и гидравлических машин Филона Византийского по версиям Оксфорда и Константинополя », Académie des Inscriptions et des Belles Artes: уведомление и выдержки из рукописи. из Национальной библиотеки , Париж 38 (1903), стр. 27–235.
- ^ Сартон, Джордж. (1959). История науки: эллинистическая наука и культура за последние три столетия до нашей эры Нью-Йорк: Библиотека Нортона, Norton & Company Inc. SBN 393005267. стр. 343–350.
- ^ Льюис, MJT (2001). Геодезические инструменты Греции и Рима . Издательство Кембриджского университета. п. 76 в Фн. 45. ИСБН 978-0-521-79297-4 .
- ^ Льюис, MJT (1997). Жернов и молот: истоки гидроэнергетики . стр. 26–36.
- ^ Уилсон, Эндрю (2002). «Машины, власть и древняя экономика». Журнал римских исследований . 92 (7): 1–32. дои : 10.1017/S0075435800032135 .
- ^ Афиней Механикус, «О машинах» (« Peri Mēchanēmatōn »), 32.1-33.3
- ^ Нидхэм, Джозеф. (1986). Наука и цивилизация в Китае: Том 4, Физика и физические технологии; Часть 2. Машиностроение . Тайбэй: Caves Books Ltd., стр. 229, 231.
- ^ «3-осевые портативные стабилизаторы GoPro» . gimbalreview.com . Обзор подвеса. 2017 . Проверено 7 мая 2017 г.
- ^ "Статья" . Советский журнал оптической техники . 43 (3). Оптическое общество Америки, Американский институт физики: 119. 1976.
- ^ Дитч, Рой (2013). Бортовая подвесная камера – Руководство по интерфейсу .
- ^ Бихари, Нупур; Даш, Смрути Прасад; Дханкани, Каранкумар К.; Пирс, Джошуа М. (01 декабря 2018 г.). «Двухосная карданная система с открытым исходным кодом для 3D-печати для оптоэлектронных измерений» (PDF) . Мехатроника . 56 : 175–187. doi : 10.1016/j.mechatronics.2018.07.005 . ISSN 0957-4158 . S2CID 115286364 .
Внешние ссылки [ править ]
СМИ, связанные с подвесами, на Викискладе?
