Карданный подвес — это поворотная опора, которая позволяет вращать объект вокруг оси. Набор из трех карданных подвесов, один из которых установлен на другом с ортогональными осями вращения, может использоваться для того, чтобы объект, установленный на самом внутреннем карданном подвесе, оставался независимым от вращения его опоры (например, вертикальным в первой анимации). Например, на корабле гироскопы , корабельные компасы , плиты и даже держатели для напитков обычно используют карданные подвесы, чтобы удерживать их в вертикальном положении относительно горизонта, несмотря на качку и бортовую качку корабля .
Подвеска карданного подвеса, используемая для установки компасов и подобных устройств, иногда называется подвесом Кардано в честь итальянского математика и физика Джероламо Кардано (1501–1576), который подробно ее описал. Однако Кардано не изобрел карданный подвес и не утверждал, что изобрел его. Устройство известно с античности, впервые описанное в 3 в. до н. э. Филоном Византийским , хотя некоторые современные авторы поддерживают точку зрения, что у него может не быть единого идентифицируемого изобретателя. [1] [2]
Карданный подвес был впервые описан греческим изобретателем Филоном Византийским (280–220 гг. до н. э.). [3] [4] [5] [6] Филон описал восьмигранную чернильницу с отверстием на каждой стороне, которую можно было повернуть так, что, пока любая грань находилась сверху, можно было окунуть перо и нанести чернила — при этом чернила никогда не вытекали через отверстия других сторон. Это делалось путем подвешивания чернильницы в центре, которая была установлена на ряде концентрических металлических колец так, чтобы она оставалась неподвижной независимо от того, в какую сторону поворачивался горшок. [3]
В Древнем Китае изобретатель и инженер-механик династии Хань (202 г. до н. э. – 220 г. н. э.) Дин Хуань создал карданную курильницу около 180 г. н. э. [3] [7] [8] В трудах более раннего Сыма Сянжу (179–117 г. до н. э.) есть намек на то, что карданный подвес существовал в Китае со II века до н. э. [9] Во времена династии Лян (502–557) есть упоминание о том, что карданные подвесы использовались для петель дверей и окон, в то время как однажды ремесленник подарил императрице У Цзэтянь (годы правления 690–705) переносную нагревательную печь , в которой использовались карданные подвесы. [10] Сохранившиеся образцы китайских карданных подвесов, используемых для курильниц, датируются ранней династией Тан (618–907) и были частью традиции кузнечного дела по серебру в Китае. [11]
Подлинность описания Филоном карданной подвески подвергалась сомнению некоторыми авторами на том основании, что часть «Пневматики» Филона , в которой описывается использование карданного подвеса, сохранилась только в арабском переводе начала IX века. [3] Таким образом, еще в 1965 году синолог Джозеф Нидхэм подозревал арабскую интерполяцию . [12] Однако Карра де Во, автор французского перевода, который до сих пор служит основой для современных ученых, [13] считает « Пневматику» по сути подлинной. [14] Историк технологий Джордж Сартон (1959) также утверждает, что можно с уверенностью предположить, что арабская версия является точной копией оригинала Филона, и прямо приписывает изобретение Филону. [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 подкрепляя тот факт, что это точная копия эллинистического оригинала , [17] точку зрения, которую недавно разделял также классицист Эндрю Уилсон (2002). [18]
Древнеримский автор Афиней Механикус , писавший во времена правления Августа (30 г. до н. э. – 14 г. н. э.), описал военное использование механизма, похожего на кардан, назвав его «маленькой обезьяной» ( pithêkion ) . Готовясь к атаке прибрежных городов со стороны моря, военные инженеры обычно скрепляли торговые суда вместе, чтобы подвезти осадные машины к стенам. Но чтобы предотвратить катание корабельных машин по палубе в бурных морях, Афиней советует «закрепить питекион на платформе, прикрепленной к торговым судам посередине, так, чтобы машина оставалась вертикально под любым углом». [19]
После античности карданные подвесы оставались широко известными на Ближнем Востоке . На латинском Западе ссылка на устройство снова появилась в кулинарной книге IX века под названием « Маленький ключ живописи» ( mappae clavicula ). [20] Французский изобретатель Виллар де Оннекур изображает набор карданных подвесов в своем альбоме для рисования (см. справа). В ранний современный период сухие компасы подвешивались в карданных подвесах.
В инерциальной навигации, применяемой к кораблям и подводным лодкам, требуется минимум три кардана, чтобы инерциальная навигационная система (устойчивый стол) оставалась фиксированной в инерциальном пространстве, компенсируя изменения рыскания, тангажа и крена корабля. В этом приложении инерциальный измерительный блок (IMU) оснащен тремя ортогонально установленными гироскопами для определения вращения вокруг всех осей в трехмерном пространстве. Выходные сигналы гироскопа поддерживаются на нулевом уровне с помощью приводных двигателей на каждой оси кардана, чтобы поддерживать ориентацию IMU. Для достижения этого сигналы ошибки гироскопа передаются через « резольверы », установленные на трех карданах, крен, тангаж и рыскание. Эти резольверы выполняют автоматическое матричное преобразование в соответствии с каждым углом кардана, так что требуемые крутящие моменты подаются на соответствующую ось кардана. Крутящие моменты рыскания должны быть разрешены с помощью преобразований крена и тангажа. Угол кардана никогда не измеряется. Аналогичные сенсорные платформы используются на самолетах.
В инерциальных навигационных системах блокировка карданного подвеса может произойти, когда вращение транспортного средства приводит к тому, что два из трех карданных колец выстраиваются в одну плоскость с их осями вращения. Когда это происходит, становится невозможным поддерживать ориентацию сенсорной платформы. [ необходима цитата ]
В космических аппаратах ракетные двигатели обычно устанавливаются на паре карданных подвесов, чтобы позволить одному двигателю направлять тягу как по осям тангажа, так и по осям рыскания; или иногда на двигатель предоставляется только одна ось. Для управления креном используются два двигателя с дифференциальными сигналами управления тангажем или рысканием, чтобы обеспечить крутящий момент вокруг оси крена транспортного средства .
Подвесы также используются для крепления различных устройств: от небольших объективов для камер до больших фотографических телескопов.
В портативном фотооборудовании используются одноосные карданные головки, позволяющие камере и объективам совершать сбалансированные движения. [21] Это оказывается полезным при съемке дикой природы , а также в любом другом случае, когда используются очень длинные и тяжелые телеобъективы : карданная головка вращает объектив вокруг его центра тяжести , что позволяет легко и плавно манипулировать им 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 слежения.
Гиростабилизированные шарниры, которые вмещают несколько датчиков, также используются для приложений воздушного наблюдения, включая воздушное обеспечение правопорядка, осмотр труб и линий электропередач, картографирование и разведку (ISR ). Датчики включают тепловизионные , дневные, слабоосвещенные камеры, а также лазерные дальномеры и осветители . [23]
Системы карданного подвеса также используются в научном оптическом оборудовании. Например, они используются для вращения образца материала вдоль оси для изучения угловой зависимости его оптических свойств. [24]
Ручные 3-осевые подвесы используются в системах стабилизации, предназначенных для того, чтобы дать оператору камеры независимость ручной съемки без вибрации или дрожания камеры. Существуют две версии таких систем стабилизации: механические и моторизованные.
Механические подвесы имеют салазки, которые включают верхнюю часть , где крепится камера, стойку , которая в большинстве моделей может быть выдвинута, с монитором и батареями внизу, чтобы уравновесить вес камеры. Вот как Steadicam остается в вертикальном положении, просто делая нижнюю часть немного тяжелее верхней, поворачиваясь на подвесе. Это оставляет центр тяжести всей установки, какой бы тяжелой она ни была, точно на кончике пальца оператора, что позволяет ловко и точно управлять всей системой с помощью самых легких прикосновений к подвесу.
Приводимые в действие тремя бесщеточными двигателями , моторизованные подвесы способны удерживать камеру на одном уровне по всем осям, когда оператор перемещает камеру. Инерциальный измерительный блок (IMU) реагирует на движение и использует три отдельных двигателя для стабилизации камеры. Под управлением алгоритмов стабилизатор способен заметить разницу между преднамеренным движением, таким как панорамирование, и отслеживанием кадров от нежелательного дрожания. Это позволяет камере казаться парящей в воздухе, эффект, достигаемый Steadicam в прошлом. Подвесы можно устанавливать на автомобили и другие транспортные средства, такие как дроны , где вибрации или другие неожиданные движения сделали бы штативы или другие крепления камеры неприемлемыми. Примером, который популярен в индустрии прямых телетрансляций, является 3-осевой подвес камеры Newton.
Скорость механического морского хронометра чувствительна к его ориентации. Из-за этого хронометры обычно устанавливались на карданные подвесы, чтобы изолировать их от качательных движений корабля в море.
Блокировка карданного подвеса — это потеря одной степени свободы в трехмерном трехшарнирном механизме, которая происходит, когда оси двух из трех шарниров приводятся в параллельную конфигурацию, «блокируя» вращение системы в вырожденном двумерном пространстве.
Слово «замок» вводит в заблуждение: ни один кардан не ограничен. Все три кардана могут свободно вращаться вокруг своих соответствующих осей подвеса. Тем не менее, из-за параллельной ориентации двух осей карданов нет кардана, доступного для вращения вокруг одной оси.
Медиа, связанные с подвесами на Wikimedia Commons