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4-5 回旋罗盘
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现在我要讲船上用的另一种装置——“回旋罗盘”。它与总是要偏离北极并且必须定期调整的定向罗盘不同，回旋罗盘实际上追踪北极——事实上它比磁罗盘更好，它指向真正 的北极，地球自转轴的意义上的北极。它的工作原理是这样：假设我们从北极上面看地球，地球反时针方向旋转，我们在某处安装一个陀螺仪，譬如在赤道，它的转轴指向东西方向，平行于赤道，如图4-5（a）所示。目前我们以理想的自由陀螺为例，它装在许多常平架和架子上。（可能放在浮在油里面的球体中——无论你要怎样都可以，只要使它没有摩擦。）六个小时以后，陀螺仪仍旧指向绝对相同的方向（因为没有摩擦力产生的转矩），但是如果我们在赤道上站在它的旁边，我们会看到它慢慢地翻转：六个小时后它就直指向正上方，如图4-5（c）所示。
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图4-5 自由转动的陀螺，地球保持它在空间的方向
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现在我们把一个重物放在陀螺仪上，如图4-6所示，想象一下会发生什么状况；重量使陀螺的自转轴始终保持垂直于引力的方向。
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图4-6 演示带有重物的陀螺要保持它的自转轴垂直于引力
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当地球自转时，重物被举起来。重物当然要返回到下面的位置，这就产生一个平行于地球转动轴的转矩，这使陀螺转到和每样东西都成直角的方位；在这特殊的情况中，如果你把它算出来，这意味着不是将重物举起来而陀螺要转向，使轴转向北极，如图4-7所示。
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图4-7 带有重物的回旋螺盘会使它的转轴平行于地球的自转轴
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现在假设陀螺的轴最终指向了北极，它一直保持这样状态吗？如果我们画出转轴指向北极的相同的图，如4-8图中所画的那样，在地球自转的时候，臂绕着陀螺的转轴摇摆并且重物一直在下面；没有因重物被提升产生的转矩，以后转轴仍旧指向北极。
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图4-8 自转轴平行于地球自转轴的回旋罗盘倾向于保持这个方向
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所以，如果回旋罗盘的轴指向北极，没有理由说明它为什么不能保持这种方式，但如果它的轴随地球转动向东西方向稍微偏转一点，由于地球的自转，重物的重力就会将轴转向北极。由此可知，这是指北的器件。（实际上，如果我仅仅 用这种方式建造器件，它会朝北极转动并越过北极的位置，转到另一边，然后回来，并来回摆动——所以要加进一些阻尼。）
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我们已经制造了一个模拟回旋罗盘的机件，这在图4-9中可以看到。遗憾的是这台陀螺仪不是所有 的轴都可以自由运动；其中只有两个是自由运动的，你不得不稍稍思考一下，可以领会几乎都是一样的。你们把这东西转动起来模拟地球的运动，引力用连在陀螺上的橡皮带模拟，相当于臂端的重物。你将它转动起来，陀螺进动一段时间，但只要你足够耐心，并使它保持运动，它就安定下来。它可以稳定并且不会转到另外的方向上去的唯一位置是平行于它的框架——在这里是想象的地球——的转动轴的方位，它稳定下来，精彩极了。它指向北极。当我使它停止转动，转轴就要漂移，因为在轴承上有各种摩擦和阻力。真实的陀螺总是要漂移，它们不是理想的东西。
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图4-9 费恩曼演示模拟回旋罗盘
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4-6 陀螺仪设计和结构的改进
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大约十年前能够制造出的最好的陀螺仪在一个小时内的漂移在2到3度之间——这是惯性导航的极限：不可能确定你在空间的方向比这更准确。例如，你要在潜水艇中航行10个小时，你的定向陀螺的轴可能偏移多达30度！（回转罗盘和人工地平仪可以完全正确，因为它们根据引力进行“校正”，但自由转动的定向陀螺不是很准确。）
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惯性导航的发展要求发展更好的陀螺仪——在这种陀螺仪中，会使它产生进动的不可控制的摩擦力要减小到尽可能最小。许多新发明使这成为可能，我想要介绍其中的普遍原理。
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第一项，到现在为止我们所讨论的都是“两个自由度”的陀螺，因为自转轴可以有两种转动的方法。我们发现如果你们每一次只需要关心一种方法就比较简单——就是说，较好的办法是这样安装你的陀螺，使得你只需要分别考虑绕一个轴的转动。“一个自由度”的陀螺画在图4-10中。［我必须感谢喷气推进实验室的斯科尔（Skull）先生，他不仅借给我这些幻灯片，还给我讲解最近几年内发生的各种事情。］
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