Если массивному физическому телу задать вращение относительно оси Х, то направление этой оси в пространстве останется неизменным при любом последующем изменении направлений осей Y и Z (при условии отсутствия сил трения в опорах подвесок). Такая система называется свободным гироскопом.
Если на ось Х при вращении ротора 1 воздействовать внешней силой, то эта ось будет поворачиваться (прецессировать) в плоскости, перпендикулярной приложенной силе.
На рис. 1 а показан трехстепенной гироскоп, с тремя степенями свободы. Если одну степень свободы ограничить, например, создать вокруг оси чувствительности У дополнительную маятниковую нагрузку (рис. 1 б), то центр тяжести этой системы сместится вниз. Такая система называется маятниковым гирокомпасом. В гирокомпасе груз Р заставляет ось Х принимать положение, параллельное плоскости горизонта.
Указанное явление (свободного гироскопа) происходит при вращении Земли вокруг своей оси. Как известно, ось Земли в мировом пространстве занимает весьма длительное время неизменное положение, в результате чего и происходит смена времен года, поскольку эта ось наклонена к плоскости, в которой Земля вращается вокруг Солнца.
Рис. 1. Схема гироскопа а - свободный гироскоп; б - маятниковый гироскоп
При вращении Земли вокруг своей оси в пространстве одновременно вращается (поворачивается) плоскость горизонта вокруг меридиана места и плоскость самого меридиана вокруг отвесной линии. Все эти вращения связаны с первичным, т. е. угловой скоростью вращения Земли ω1, и широтой места φ:
- для угловой скорости ω вращения горизонта - ω1 = ω cos φ;
- для угловой скорости ω2 вращения меридиана места -ω 2 = ω sin φ.