Question

手机里的陀螺仪是个什么东西？它和现实中的陀螺仪有什么差别？

Answer 1

陀螺仪是手机里面的标配，不管是 娱乐 、学习还是旅行，几乎都离不开它。那陀螺仪到底长什么样呢？当年乔帮主在把第一台陀螺仪放进iphone四之后，就做一段精彩的演示。

在其中的配图里面，我们可以看到这样一张大大的陀螺仪的照片，这个看上去很熟悉吧，也许很多人还玩过，甚至连玩过的场景都很类似。那么这高速旋转的陀螺仪是怎么被缩小后放到手机里面去的呢？

事实上手机里面的陀螺仪已经不是我们想象中长得就像是个陀螺的陀螺仪了。至于它长成什么样子，我们稍后会说到。现在先让我们来解决第一个问题，为什么陀螺仪可以用来测量物体的姿态？这是由陀螺的特性所带来的，我们都知道，当一枚陀螺旋转起来之后，它就不会倒了，而且转得越快、质量越大，这种不容易倒的趋势就越明显。所以基本上它的旋转轴所指向的方向是不会轻易发生改变的。

比如当一枚陀螺垂直于地面旋转起来之后，它的旋转轴就会一直垂直于地面，不会变化，而当它跟地面成一定的夹角旋转起来之后，它的旋转轴相对于地面的夹角也是固定不变的。只不过此时它本身会在绕着支点做旋转运动而已。并且这个旋转运动的方向还是跟陀螺转子旋转的方向是一致的，这个叫做进动。正是这种不会轻易改变旋转轴方向的特性，使它成为了测量物体姿态的最佳工具。当我们把它装到一个万向的支架上后，不管支架的方向、俯仰和翻滚如何变化，高速旋转的陀螺在里面始终稳住不动。

如果我们在xyz方向上都分别画出刻度的话，那么就可以通过不变的陀螺在变化的框架上所指出的位置，确定出物体姿态变化的精确数值了，这个就是陀螺仪，它真的很好用。航海需要它，航空需要它，猎杀潜航的鱼雷需要它，九天揽月的火箭需要它，到了今天我们的智能手机也需要它。但问题就来了，你说前面几个硬是要把转着的陀螺塞进去，好像也能找出空间，但手机怎么个塞法呢？

结论很简单，因为塞进手机的根本就是另外一个东西，虽然它也叫陀螺仪，但已经跟传统的陀螺仪没有太大关系了，它叫做微机电陀螺，依靠的是测量一种叫做科里奥利力的物理量，来测出物体偏转的运动的。下面我就来详细的解释一下，第一个要知道的就是什么是科里奥利力，他说的是在一个旋转的系统里面，当一个物体在进行直线运动时所受到的一种偏转力，其结果就是本来应该走直线的他变成走曲线了。

有一个比较经典的实验是在一个旋转的木板两端，分别坐着两个实验人员，他们互相朝对方抛出小球，按理说小球应该很容易就被对方接住，但就是在快要接住的一瞬间，那小球像是变戏法似的转了一个弯，偏离了原本的路线，让他们怎么都接不到。这个当然是一个小的旋转系统里面比较明显的例子。

其实当我们把这个小系统放大来到地球的尺度会发现地球本身也是这么个旋转的系统，这就解释了很多有趣的自然现象，比如北半球的风向右偏，南半球的风向左偏，北半球的热带气旋是逆时针，而南半球的则是顺时针。同样的一条河流两岸的冲刷情况却并不一致等等。

甚至很多人会说，南北半球的人在方便完后冲马桶时，那个漏下去的水的漩涡的方向都是不一样的，到底是不是这样的就不知道了，但理论上它确实是会受到科里奥利力的影响的。那么我们该怎么把它应用在微机电陀螺仪上面呢？首先我们用交替变化的电压施加在陀螺仪内的一个质量块上，让他来做水平的来回震荡。

这就像是让坐在还没有旋转起来的木板上的两名实验员开始互相抛气球来一样。接着陀螺仪发生了旋转，产生的科里奥利力，就让原本只在水平方向上震荡的质量块，发生了垂直方向上的位移，跟旋转起来了的实验员扔出了偏转的球一样的道理。而陀螺仪内部敏感的电容可以识别出这两块发生垂直位移后电容值的细微变化，通过对于这个电容变化的测量和计算中就能得出陀螺仪的旋转量了。

当然这还是一个轴向的，如果我们把三个放在一起设计，分别对于上下、左右和翻滚的话就能生产出三百六十度无死角的陀螺仪了。

这样的陀螺仪长宽高只有三乘三乘一，单位是毫米，把它塞进手机里就毫无压力了。