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 , корабельные компасы , печи и даже держатели для напитков обычно используют подвесы, которые удерживают их в вертикальном положении относительно горизонта, несмотря на качку и качку корабля .
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]
Впервые подвес описал греческий изобретатель Филон Византийский (280–220 до н. э.). [3] [4] [5] [6] Филон описал восьмигранный чернильник с отверстиями на каждой стороне, который можно повернуть так, что, когда любая грань находится сверху, можно окунуть перо и нанести чернила — однако 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 изобретатель и инженер-механик династии Хань ( 202 г. до н.э. – 220 г. н.э.) Дин Хуан создал карданную курильницу около 180 г. н.э. [3] [7] [8] В письме более раннего Сыма Сянжу (179–117 до н.э.) есть намек на то, что подвес существовал в Китае со 2-го века до нашей эры. [9] Во времена династии Лян (502–557 гг.) упоминается , что подвесы использовались в качестве петель дверей и окон, а однажды ремесленник подарил императрице У Цзэтянь (годы правления 690–705) портативную нагревательную печь , в которой использовались подвесы. [10] Сохранившиеся образцы китайских подвесов, используемых для курильниц, относятся к ранней династии Тан (618–907) и были частью традиции серебряного кузнечного дела 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 обеспечивает основу 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 укрепляя аргументы в пользу того, что это точная копия эллинистического оригинала , [ 16] 17] точку зрения, которую недавно разделил классик Эндрю Уилсон (2002). [18]
Древнеримский 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» ( питекион ). 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 живописи» ( mappae clavicula ). [20] Французский изобретатель Виллар де Оннекур изобразил в своем альбоме для рисования набор подвесов (см. справа) . В ранний современный период сухие компасы подвешивались на подвесах.
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 посредством приводных двигателей на каждой оси подвеса, чтобы поддерживать ориентацию IMU. Для этого сигналы ошибок гироскопа передаются через « резольверы », установленные на трех подвесах, для крена, тангажа и рыскания. 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 цитата ]
В двигательных установках космических кораблей 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 , обеспечивающие крутящий момент вокруг оси крена автомобиля .
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 крупные карданные крепления в виде 2-х или 3-х осевых высотно-высотных креплений [22] используются в спутниковой фотографии для целей слежения.
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 тепловизионные камеры , 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]
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 в прошлом с помощью стедикама . 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.
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 — это потеря одной степени свободы в трехмерном трехкарданном механизме, которая происходит, когда оси двух из трех подвесов приводятся в параллельную конфигурацию, «запирая» систему во вращение 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.
СМИ, связанные с подвесами, на Викискладе?