Gyroskop

Ein Gyroskop (vom altgriechischen γῦρος gŷros „rund“ und σκοπέω skopéō „sehen“) ist ein Gerät zur Messung oder Beibehaltung von Orientierung und Winkelgeschwindigkeit . ^{[ 1 ] [ 2 ]} Es handelt sich um ein rotierendes Rad oder eine Scheibe, deren Rotationsachse (Drehachse) jede beliebige Orientierung annehmen kann. Während der Rotation bleibt die Orientierung dieser Achse aufgrund der Drehimpulserhaltung von Neigung oder Drehung der Halterung unbeeinflusst .

Es existieren auch Gyroskope, die auf anderen Funktionsprinzipien basieren, wie beispielsweise die in elektronischen Geräten verwendeten, in Mikrochips integrierten MEMS-Gyroskope (manchmal auch Gyrometer genannt ), Festkörper- Ringlaser , Faseroptik-Gyroskope und das extrem empfindliche Quantengyroskop . ^{[ 3 ]}

Anwendungsgebiete von Gyroskopen sind unter anderem Trägheitsnavigationssysteme , wie beispielsweise im Hubble-Weltraumteleskop oder im Inneren des Stahlrumpfs eines U-Boots. Aufgrund ihrer Präzision werden Gyroskope auch in Kreiseltheodoliten zur Richtungsbestimmung im Tunnelbau eingesetzt. ^{[ 4 ]} Gyroskope können zum Bau von Kreiselkompassen verwendet werden, die Magnetkompasse ergänzen oder ersetzen (in Schiffen, Flugzeugen und Raumfahrzeugen sowie in Fahrzeugen allgemein), zur Stabilisierung beitragen (Fahrräder, Motorräder und Schiffe; bekannt als Gyrostabilisierung ) oder als Bestandteil eines Trägheitsnavigationssystems dienen .

MEMS-Gyroskope (mikroelektromechanische Systeme) sind in einigen Unterhaltungselektronikgeräten , wie zum Beispiel Smartphones, beliebt .

Ein Gyroskop ist ein Instrument, bestehend aus einem Rad, das in zwei oder drei kardanischen Aufhängungen mit Schwenkgelenken gelagert ist und sich um eine Achse drehen kann. Drei kardanische Aufhängungen, die übereinander mit orthogonalen Drehachsen angeordnet sind, ermöglichen es, dass die Ausrichtung des Rades in der innersten Aufhängung unabhängig von der räumlichen Ausrichtung seiner Lagerung bleibt.

Bei einem Gyroskop mit zwei Kardanringen ist der äußere Kardanring, der den Gyroskoprahmen bildet, so montiert, dass er sich um eine Achse in seiner eigenen, durch die Halterung vorgegebenen Ebene drehen kann. Dieser äußere Kardanring besitzt einen Freiheitsgrad in der Rotation, seine Achse selbst jedoch keinen. Der zweite (innere) Kardanring ist im Gyroskoprahmen (äußeren Kardanring) so montiert, dass er sich um eine Achse in seiner eigenen Ebene drehen kann, die stets senkrecht zur Drehachse des Gyroskoprahmens (äußeren Kardanrings) steht. Dieser innere Kardanring besitzt zwei Freiheitsgrade in der Rotation.

Die Achse des rotierenden Rades (des Rotors) definiert die Drehachse. Der Rotor ist so konstruiert, dass er sich um eine Achse dreht, die stets senkrecht zur Achse des inneren Kardanrings steht. Somit besitzt der Rotor drei Rotationsfreiheitsgrade und seine Achse zwei. Auf eine auf die Eingangsachse wirkende Kraft reagiert der Rotor mit einer Reaktionskraft auf die Ausgangsachse.

Das Schwungrad eines Kreisels rollt oder bremst um die Ausgangsachse, je nachdem, ob die Ausgangskardanringe frei oder fest angeordnet sind. Ein Beispiel für Geräte mit frei gelagerten Ausgangskardanringen sind Lageregelungskreisel, die zur Erfassung und Messung der Nick-, Roll- und Gierwinkel von Raumfahrzeugen oder Flugzeugen eingesetzt werden.

Der Schwerpunkt des Rotors kann sich in einer festen Position befinden. Der Rotor dreht sich gleichzeitig um eine Achse und kann um die beiden anderen Achsen oszillieren. Er kann sich um den festen Punkt in jede beliebige Richtung drehen (abgesehen vom durch die Rotorrotation bedingten Widerstand). Bei manchen Gyroskopen werden ein oder mehrere Elemente durch mechanische Äquivalente ersetzt. Beispielsweise kann der rotierende Rotor in einer Flüssigkeit aufgehängt sein, anstatt kardanisch gelagert zu sein. Ein Steuermomentgyroskop (CMG) ist ein Beispiel für ein Gerät mit festem Ausgangsdrehpunkt, das in Raumfahrzeugen eingesetzt wird, um mithilfe der Kreiselkraft einen gewünschten Lagewinkel oder eine gewünschte Ausrichtung zu halten.

In bestimmten Sonderfällen kann die äußere Kardanaufhängung (oder eine gleichwertige Konstruktion) weggelassen werden, sodass der Rotor nur zwei Freiheitsgrade aufweist. In anderen Fällen kann der Schwerpunkt des Rotors gegenüber der Schwingungsachse versetzt sein, wodurch Schwerpunkt und Aufhängepunkt des Rotors nicht übereinstimmen.

Ein Gyroskop ist im Prinzip ein Kreisel , der mit zwei kardanischen Aufhängungen kombiniert ist . Kreisel wurden in vielen verschiedenen Kulturen erfunden, darunter im antiken Griechenland, Rom und China. ^{[ 5 ]} Die meisten von ihnen wurden jedoch nicht als Instrumente eingesetzt.

Das erste bekannte Gerät, das einem Gyroskop ähnelte (das „Wirbelspekulum“ oder „Sersons Spekulum“), wurde 1743 von John Serson erfunden. Es wurde als Nivelliergerät verwendet, um den Horizont bei nebligen oder dunstigen Bedingungen zu lokalisieren.

Das erste Instrument, das einem Gyroskop ähnelte, wurde von Johann Bohnenberger aus Deutschland entwickelt, der es 1817 erstmals beschrieb. Zunächst nannte er es die „Maschine“. ^{[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]} Bohnenbergers Maschine basierte auf einer rotierenden, massiven Kugel. ^{[ 9 ]} 1832 entwickelte der Amerikaner Walter R. Johnson ein ähnliches Gerät, das auf einer rotierenden Scheibe basierte. ^{[ 10 ] [ 11 ]} Der französische Mathematiker Pierre-Simon Laplace , der an der École Polytechnique in Paris lehrte, empfahl die Maschine als Lehrmittel, wodurch sie die Aufmerksamkeit von Léon Foucault erregte . ^{[ 12 ]}

Im Jahr 1852 nutzte Foucault es in einem Experiment, um die Erdrotation zu demonstrieren. ^{[ 13 ] [ 14 ]}

Es war Foucault, der dem Gerät seinen modernen Namen gab, in einem Experiment, um die Erdrotation (griechisch skopeein „sehen“) zu beobachten (griechisch gyros „Kreis, Rotation“), ^{[ 15 ] [ 16 ]} die in den 8 bis 10 Minuten sichtbar war, bevor die Reibung den rotierenden Rotor verlangsamte.

In den 1860er Jahren ermöglichte die Entwicklung von Elektromotoren die unbegrenzte Rotation eines Kreiselkompasses. Dies führte zu den ersten Prototypen von Kursanzeigern und einem deutlich komplexeren Gerät, dem Kreiselkompass . Der erste funktionsfähige Kreiselkompass wurde 1904 von dem deutschen Erfinder Hermann Anschütz-Kaempfe patentiert . ^{[ 17 ]} Der Amerikaner Elmer Sperry legte noch im selben Jahr mit seinem eigenen Entwurf nach, und andere Nationen erkannten bald die militärische Bedeutung der Erfindung – in einer Zeit, in der die Seemacht das wichtigste Maß für militärische Stärke war – und gründeten ihre eigenen Kreiselkompass-Industrien. Die Sperry Gyroscope Company expandierte rasch und lieferte auch Stabilisatoren für Flugzeuge und Schiffe, und andere Kreiselkompass-Entwickler folgten diesem Beispiel. ^{[ 18 ]}

Um 1911 begann die LT Hurst Mfg Co. aus Indianapolis mit der Produktion des „Hurst-Gyroskops“, eines Spielzeuggyroskops mit Zugmechanismus und Sockel. Die Herstellung wurde später an die Chandler Mfg Co. (weiterhin unter der Marke Hurst) übertragen. Das Produkt wurde später in „Chandler-Gyroskop“ umbenannt, vermutlich weil die Chandler Mfg Co. die Rechte daran übernahm. Chandler produzierte das Spielzeug bis zur Übernahme durch TEDCO Inc. im Jahr 1982. Das Gyroskop wird noch heute von TEDCO hergestellt. ^{[ 19 ] [ 20 ]}

In den ersten Jahrzehnten des 20. Jahrhunderts versuchten andere Erfinder (erfolglos), Gyroskope als Grundlage für frühe Blackbox -Navigationssysteme zu nutzen, indem sie eine stabile Plattform schufen, von der aus präzise Beschleunigungsmessungen durchgeführt werden konnten (um die Notwendigkeit der Positionsbestimmung mittels Sternnavigation zu umgehen). Ähnliche Prinzipien wurden später bei der Entwicklung von Trägheitsnavigationssystemen für ballistische Raketen angewendet . ^{[ 21 ]}

Während des Zweiten Weltkriegs wurde das Gyroskop zur Hauptkomponente von Zielfernrohren für Flugzeuge und Flugabwehrkanonen. ^{[ 22 ]} Nach dem Krieg führte der Wettlauf um die Miniaturisierung von Gyroskopen für Lenkflugkörper und Waffennavigationssysteme zur Entwicklung und Herstellung sogenannter Zwerggyroskope mit einem Gewicht von unter 85 g und einem Durchmesser von etwa 2,5 cm. Einige dieser miniaturisierten Gyroskope erreichten innerhalb von weniger als 10 Sekunden eine Drehzahl von 24.000 Umdrehungen pro Minute. ^{[ 23 ]}

Gyroskope stellen nach wie vor eine technische Herausforderung dar. Beispielsweise müssen die Achslager extrem präzise sein. Um eine Genauigkeit von besser als einem Zoll (2,5 nm) zu erreichen, wird den Lagern bewusst eine geringe Reibung zugeführt. ^{[ 24 ]}${\displaystyle 10^{-7}}$

Dreiachsige MEMS-basierte Gyroskope werden auch in tragbaren elektronischen Geräten wie Tablets ^{[ 25 ]} , Smartphones [ ^{26 ]} und Smartwatches ^{[ 27 ]} eingesetzt . Sie erweitern die bereits in früheren Gerätegenerationen vorhandene dreiachsige Beschleunigungsmessung. Zusammen ermöglichen diese Sensoren eine Bewegungserfassung mit sechs Komponenten: Beschleunigungsmesser für die X-, Y- und Z-Achse sowie Gyroskope zur Messung von Ausmaß und Geschwindigkeit der Rotation im Raum (Rollen, Nicken und Gieren). Einige Geräte ^{[28, 29 ] verfügen zusätzlich über ein Magnetometer} zur Bestimmung absoluter Winkel relativ zum Erdmagnetfeld. Neuere MEMS-basierte Inertialmesseinheiten integrieren bis zu alle neun Messachsen in einem einzigen integrierten Schaltkreis und bieten so eine kostengünstige und weit verbreitete Bewegungserfassung ^{[ 30 ] .}

Alle rotierenden Objekte weisen gyroskopische Eigenschaften auf. Die wichtigsten Eigenschaften, die ein Objekt bei jeder gyroskopischen Bewegung erfahren kann, sind die Starrheit im Raum und die Präzession .

Die Starrheit im Raum beschreibt das Prinzip, dass ein Gyroskop in seiner Position auf der Ebene, in der es sich dreht, unbeeinflusst von der Erdrotation bleibt, wie beispielsweise ein rotierendes Fahrradrad. Frühe Formen von Gyroskopen (damals noch nicht unter diesem Namen bekannt) wurden verwendet, um dieses Prinzip zu demonstrieren. ^{[ 31 ]}

Ein einfacher Fall der Präzession, auch als stationäre Präzession bezeichnet, kann durch die folgende Beziehung zu einem Moment beschrieben werden :

${\displaystyle \sum M_{x}=-I{\phi '}^{2}\sin \theta \cos \theta +I_{z}\phi '\sin \theta (\phi '\cos \theta +\psi ')}$

Hierbei steht für die Präzession, für den Spin, für den Nutationswinkel und für das Trägheitsmoment entlang der jeweiligen Achse. Diese Beziehung gilt nur, wenn die Momente entlang der Y- und Z-Achse gleich null sind. ${\displaystyle \phi '}$${\displaystyle \psi '}$${\displaystyle \theta }$${\displaystyle I}$

Die Gleichung lässt sich weiter vereinfachen, indem man berücksichtigt, dass die Winkelgeschwindigkeit entlang der z-Achse gleich der Summe aus Präzession und Spin ist: , wobei die Winkelgeschwindigkeit entlang der z-Achse darstellt. ${\displaystyle \omega _{z}=\phi '\cos \theta +\psi '}$${\displaystyle \omega _{z}}$

${\displaystyle \sum M_{x}=-I{\psi '}^{2}\sin \theta \cos \theta +I_{z}\psi '(\sin \theta )\omega _{z}}$

oder

${\displaystyle \sum M_{x}=\psi '\sin \theta (I_{z}\omega _{z}-I\psi '\cos \theta )}$^{[ 32 ]}

Die gyroskopische Präzession ist drehmomentinduziert. Sie beschreibt die Änderungsrate des Drehimpulses, die durch das angelegte Drehmoment hervorgerufen wird. Präzession führt zu kontraintuitiven dynamischen Phänomenen, wie beispielsweise dem Umkippen eines Kreisels . In der Luft- und Raumfahrt wird die Präzession zur Erfassung von Lage- und Richtungsänderungen eingesetzt.

Für die Dreharbeiten zum Film „ Die Rückkehr der Jedi-Ritter“ (1983) wurde ein Steadicam- System in Kombination mit zwei Gyroskopen zur zusätzlichen Stabilisierung eingesetzt, um die Hintergrundaufnahmen für die Verfolgungsjagd mit den Speederbikes zu filmen . Steadicam-Erfinder Garrett Brown führte die Kameraführung durch, indem er durch einen Redwood-Wald ging und die Kamera mit einem Bild pro Sekunde laufen ließ. Die Projektion mit 24 Bildern pro Sekunde erweckte den Eindruck, mit halsbrecherischer Geschwindigkeit durch die Luft zu fliegen. ^{[ 33 ] [ 34 ]}

Der Kursanzeiger bzw. das Richtungsgyroskop besitzt eine horizontal ausgerichtete Drehachse, die nach Norden zeigt. Im Gegensatz zu einem Magnetkompass sucht er nicht automatisch nach Norden. Bei der Verwendung in einem Flugzeug driftet er beispielsweise langsam von Norden ab und muss daher regelmäßig mithilfe eines Magnetkompasses neu ausgerichtet werden. ^{[ 35 ]}

Im Gegensatz zu einem Richtungskreisel oder Kursanzeiger sucht ein Kreiselkompass nach Norden. Er erfasst die Erdrotation um ihre Achse und peilt den geografischen Norden an, nicht den magnetischen . Kreiselkompasse verfügen üblicherweise über eine eingebaute Dämpfung, um ein Überschwingen bei der Neukalibrierung nach plötzlichen Bewegungen zu verhindern.

Durch Bestimmung der Beschleunigung eines Objekts und Integration über die Zeit lässt sich dessen Geschwindigkeit berechnen. Durch erneute Integration kann die Position ermittelt werden. Der einfachste Beschleunigungsmesser besteht aus einem horizontal frei beweglichen Gewicht, das an einer Feder und einem Gerät zur Messung der Federspannung befestigt ist. Eine Verbesserung lässt sich durch eine Gegenkraft erzielen, die das Gewicht zurückdrückt und die Kraft misst, die benötigt wird, um die Bewegung des Gewichts zu verhindern. Eine komplexere Konstruktion besteht aus einem Gyroskop mit einem Gewicht auf einer der Achsen. Das Gerät reagiert auf die vom beschleunigten Gewicht erzeugte Kraft, indem es diese integriert und so die Geschwindigkeit berechnet. ^{[ 36 ]}

Ein Gyrostat besteht aus einem massiven Schwungrad, das in einem festen Gehäuse verborgen ist. ^{[ 37 ] [ 38 ]} Sein Verhalten auf einem Tisch oder bei verschiedenen Aufhängungs- und Lagerungsarten veranschaulicht die bemerkenswerte Umkehrung der üblichen Gesetze des statischen Gleichgewichts aufgrund des gyrostatischen Verhaltens des unsichtbaren, im Inneren befindlichen Schwungrads bei schneller Rotation. Der erste Gyrostat wurde von Lord Kelvin entworfen , um den komplexeren Bewegungszustand eines rotierenden Körpers zu veranschaulichen, der sich frei auf einer horizontalen Ebene bewegen kann, wie beispielsweise ein Kreisel auf dem Bürgersteig oder ein Fahrrad auf der Straße. ^{[ 39 ]} Kelvin ^{[ 40 ]} nutzte Gyrostaten auch zur Entwicklung mechanischer Theorien zur Elastizität von Materie und Äther. ^{[ 41 ]} In der modernen Kontinuumsmechanik existieren verschiedene Modelle, die auf den Ideen von Lord Kelvin basieren. Sie stellen einen speziellen Typ von Cosserat-Theorien dar (die erstmals von Eugène und François Cosserat vorgeschlagen wurden ), welche zur Beschreibung künstlich hergestellter intelligenter Materialien sowie anderer komplexer Medien verwendet werden können. Eine dieser Theorien, das sogenannte Kelvin-Medium, besitzt in der Nähe des Zustands der magnetischen Sättigung in der Näherung der Quasimagnetostatik dieselben Gleichungen wie magnetische Isolatoren. ^{[ 42 ]}

In der heutigen Zeit wird das Gyrostat-Konzept bei der Konstruktion von Lageregelungssystemen für Raumfahrzeuge und Satelliten im Orbit eingesetzt. ^{[ 43 ]} Beispielsweise verfügte die Raumstation Mir über drei Paare intern montierter Schwungräder, sogenannte Gyrodyne oder Steuermomentgyroskope . ^{[ 44 ]}

In der Physik gibt es mehrere Systeme, deren dynamische Gleichungen den Bewegungsgleichungen eines Gyroskops ähneln. ^{[ 45 ]} Beispiele hierfür sind ein Festkörper mit einem Hohlraum, der mit einer reibungsfreien, inkompressiblen, homogenen Flüssigkeit gefüllt ist, ^{[ 46 ]} die statische Gleichgewichtskonfiguration eines beanspruchten elastischen Stabes in der Elastica-Theorie , ^{[ 47 ]} die Polarisationsdynamik eines Lichtimpulses, der sich durch ein nichtlineares Medium ausbreitet, ^{[ 48 ]} das Lorenz-System in der Chaostheorie ^{[ 49 ]} und die Bewegung eines Ions in einem Penningfallen- Massenspektrometer. ^{[ 50 ]}

Ein mikroelektromechanisches System (MEMS)-Gyroskop ist ein miniaturisiertes Gyroskop, das in elektronischen Geräten eingesetzt wird. Es basiert auf dem Prinzip des Foucaultschen Pendels und verwendet ein vibrierendes Element. Diese Art von Gyroskop wurde zunächst in militärischen Anwendungen verwendet, findet aber mittlerweile zunehmend auch kommerzielle Anwendung. ^{[ 51 ]}

Das halbkugelförmige Resonatorgyroskop (HRG), auch Weinglasgyroskop ^{[ 52 ]} oder Pilzgyroskop genannt, verwendet eine dünne, halbkugelförmige Festkörperschale, die durch einen dicken Stiel verankert ist. Diese Schale wird durch elektrostatische Kräfte, die von direkt auf separaten, die Schale umgebenden Quarzglasstrukturen aufgebrachten Elektroden erzeugt werden, zu einer Biegeresonanz angeregt. Der gyroskopische Effekt beruht auf der Trägheit der stehenden Biegewellen. ^{[ 53 ]}

Ein Schwingstrukturgyroskop (VSG), auch Coriolis-Schwingungsgyroskop (CVG) genannt ^{[ 54 ]} , verwendet einen Resonator aus verschiedenen Metalllegierungen. Es nimmt eine Position zwischen dem ungenauen, kostengünstigen MEMS-Gyroskop und dem genaueren, aber teureren faseroptischen Gyroskop ein. Die Genauigkeit wird durch den Einsatz von Materialien mit geringer Eigendämpfung, die Vakuumisierung des Resonators und digitale Elektronik verbessert, um die temperaturabhängige Drift und Instabilität der Steuersignale zu reduzieren. ^{[ 55 ]}

Hochwertige Weinglasresonatoren werden für Präzisionssensoren wie HRG verwendet. ^{[ 56 ]}

Ein dynamisch abgestimmtes Gyroskop (DTG) ist ein Rotor, der über ein Kugelgelenk mit Biegegelenken aufgehängt ist. ^{[ 57 ]} Die Steifigkeit der Biegefeder ist unabhängig von der Drehzahl. Die dynamische Trägheit (aus der gyroskopischen Reaktionswirkung) des Kardanrings bewirkt jedoch eine negative Federsteifigkeit, die proportional zum Quadrat der Drehzahl ist (Howe und Savet, 1964; Lawrence, 1998). Daher heben sich bei einer bestimmten Drehzahl, der sogenannten Abstimmdrehzahl, die beiden Momente gegenseitig auf, wodurch der Rotor vom Drehmoment befreit wird – eine notwendige Bedingung für ein ideales Gyroskop.

Ein Ringlasergyroskop nutzt den Sagnac-Effekt zur Messung der Rotation, indem es das sich verschiebende Interferenzmuster eines in zwei separate Strahlen aufgespaltenen Strahls misst, die sich in entgegengesetzte Richtungen um den Ring bewegen.

When the Boeing 757-200 entered service in 1983, it was equipped with the first suitable ring laser gyroscope. This gyroscope took many years to develop, and the experimental models went through many changes before it was deemed ready for production by the engineers and managers of Honeywell and Boeing. It was an outcome of the competition with mechanical gyroscopes, which kept improving. The reason Honeywell, of all companies, chose to develop the laser gyro was that they were the only one that did not have a successful line of mechanical gyroscopes, so they would not be competing against themselves. The first problem they had to solve was that with laser gyros rotations below a certain minimum could not be detected at all, due to a problem called "lock-in", whereby the two beams act like coupled oscillators and pull each other's frequencies toward convergence and therefore zero output. The solution was to shake the gyro rapidly so that it never settled into lock-in. Paradoxically, too regular of a dithering motion produced an accumulation of short periods of lock-in when the device was at rest at the extremities of its shaking motion. This was cured by applying a random white noise to the vibration. The material of the block was also changed from quartz to a new glass ceramic Cer-Vit, made by Owens Corning, because of helium leaks.^[58]

A fiber optic gyroscope also uses the interference of light to detect mechanical rotation. The two-halves of the split beam travel in opposite directions in a coil of fiber optic cable as long as 5 km. Like the ring laser gyroscope, it makes use of the Sagnac effect.^[59]

A London moment gyroscope relies on the quantum-mechanical phenomenon, whereby a spinning superconductor generates a magnetic field whose axis lines up exactly with the spin axis of the gyroscopic rotor. A magnetometer determines the orientation of the generated field, which is interpolated to determine the axis of rotation. Gyroscopes of this type can be extremely accurate and stable. For example, those used in the Gravity Probe B experiment measured changes in gyroscope spin axis orientation to better than 0.5 milliarcseconds (1.4×10⁻⁷ degrees, or about 2,4 × 10⁻⁹  Radiant ) über einen Zeitraum von einem Jahr. ^{[ 60 ]} Dies entspricht einem Winkelabstand, ^der der Breite eines menschlichen Haares aus einer Entfernung von 32 Kilometern (20 Meilen) entspricht. ^{[ 61 ]}

Das GP-B-Gyroskop besteht aus einer nahezu perfekt kugelförmigen, rotierenden Masse aus Quarzglas , die als dielektrischer Träger für eine dünne Schicht aus supraleitendem Niob dient . Um die in herkömmlichen Lagern auftretende Reibung zu eliminieren, wird die Rotoranordnung durch das elektrische Feld von sechs Elektroden zentriert. Nach dem anfänglichen Anlaufen durch einen Heliumstrahl, der den Rotor auf 4000 U/min bringt , wird das polierte Gyroskopgehäuse in ein Ultrahochvakuum evakuiert, um den Widerstand des Rotors weiter zu reduzieren. Solange die Aufhängungselektronik mit Strom versorgt wird, ermöglichen die extreme Rotationssymmetrie , die Reibungsfreiheit und der geringe Widerstand, dass sich der Rotor aufgrund seines Drehimpulses etwa 15.000 Jahre lang weiterdreht. ^{[ 62 ]}

Ein hochempfindlicher DC-SQUID , der Änderungen bis hinunter zu einem Quant oder etwa 2 × 10⁻⁵ unterscheiden kann.^{Zur Überwachung des Gyroskops wird eine Feldstärke von −15} Wb verwendet. Eine Präzession (Neigung) der Rotororientierung bewirkt eine Verschiebung des London-Moment-Magnetfelds relativ zum Gehäuse. Das sich bewegende Feld durchdringt eine supraleitende Messschleife, die am Gehäuse befestigt ist, und induziert einen kleinen elektrischen Strom. Dieser Strom erzeugt eine Spannung an einem Shunt-Widerstand, die von einem Mikroprozessor in sphärische Koordinaten umgerechnet wird. Das System ist so ausgelegt, dass das Lorentz-Drehmoment auf den Rotor minimiert wird. ^{[ 63 ] [ 64 ]}

Der Hauptrotor eines Hubschraubers wirkt wie ein Kreisel. Seine Bewegung wird durch das Prinzip der Kreiselpräzession beeinflusst. Dieses besagt, dass eine auf einen rotierenden Körper wirkende Kraft ihre maximale Reaktion etwa 90 Grad später hervorruft. Diese Reaktion kann von 90 Grad abweichen, wenn andere, stärkere Kräfte wirken. ^{[ 65 ]} Um die Richtung zu ändern, müssen Hubschrauber den Nickwinkel und den Anstellwinkel anpassen. ^{[ 66 ]}

Der Gyro X-Prototyp wurde 1967 von Alex Tremulis und Thomas Summers entwickelt. Das Fahrzeug nutzte die Kreiselpräzession für den Zweiradantrieb. Eine Baugruppe aus einem in einem kardanisch aufgehängten Gehäuse unter der Motorhaube montierten Schwungrad fungierte als großes Gyroskop. Das Schwungrad wurde von Hydraulikpumpen in Rotation versetzt, wodurch ein Kreiseleffekt auf das Fahrzeug erzeugt wurde. Ein Präzessionszylinder drehte das Gyroskop, um die Richtung der Präzessionskraft zu ändern und so jegliche Kräfte auszugleichen, die zu einem Ungleichgewicht des Fahrzeugs führten. Der einzigartige Prototyp befindet sich heute im Lane Motor Museum in Nashville, Tennessee. ^{[ 67 ]}

Neben ihrer Verwendung in Kompassen, Flugzeugen, Computer-Zeigegeräten usw. finden Gyroskope auch in der Unterhaltungselektronik Anwendung.

Da Gyroskope die Berechnung von Orientierung und Rotation ermöglichen, werden sie von Entwicklern in moderne Technologien integriert. Die Integration des Gyroskops ermöglicht eine präzisere Bewegungserkennung im dreidimensionalen Raum als der zuvor in vielen Smartphones verbaute Beschleunigungsmesser . Gyroskope in Unterhaltungselektronik werden häufig mit Beschleunigungsmessern kombiniert, um eine robustere Richtungs- und Bewegungserkennung zu erzielen. Beispiele für solche Anwendungen sind Smartphones wie das Samsung Galaxy Note 4 ^{[ 68 ]} , HTC Titan ^{[ 69 ]} , Nexus 5 , iPhone 5s ^{[ 70 ]} , Nokia 808 PureView ^{[ 71 ]} und Sony Xperia , Peripheriegeräte für Spielkonsolen wie der PlayStation 3-Controller und die Wii-Fernbedienung sowie Virtual-Reality-Headsets wie die Oculus Rift ^{[ 72 ]} . Einige Funktionen von Android-Smartphones, wie PhotoSphere oder die 360°-Kamera, sowie die Nutzung von VR-Geräten sind ohne Gyroskopsensor im Gerät nicht möglich ^{[ 73 ] .}

Nintendo hat in der Wii -Fernbedienung der Wii-Konsole ein Gyroskop integriert, und zwar durch eine zusätzliche Hardwarekomponente namens „ Wii MotionPlus “. ^{[ 74 ]} Dieses Gyroskop ist auch im 3DS , im Wii U GamePad sowie in den Joy-Con- und Pro- Controllern der Nintendo Switch verbaut und erkennt Bewegungen beim Drehen und Schütteln.

Kreuzfahrtschiffe verwenden Gyroskope, um bewegungsempfindliche Geräte wie beispielsweise selbstnivellierende Billardtische auszurichten. ^{[ 75 ]}

Ein elektrisch betriebenes Schwungradgyroskop, das in ein Fahrradrad eingebaut ist, wird als Alternative zu Stützrädern verkauft. ^{[ 76 ]}

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