Жироскопът, често наричан просто жироскоп (за да не се бърка с гръцката обвивка с храна), не получава голяма преса. Но без това чудо на инженерството, светът - и по-специално, изследването на други светове на човечеството - би било коренно различно. Жироскопите са незаменими в ракетостроенето и въздухоплаването, а като бонус един прост жироскоп прави страхотна детска играчка.
Жироскопът, макар и машина с много движещи се части, всъщност е сензор. Неговата цел е да поддържа движението на въртяща се част в центъра на жироскопа стабилно при промени в силите, наложени от външната среда на жироскопа. Те са конструирани така, че тези външни измествания да бъдат уравновесени от движенията на частите на жироскопа, които винаги се противопоставят на наложената смяна. Това не е различно от начина, по който пружинната врата или капан за мишки ще се противопоставят на опитите ви да я отворите, още по-силно, ако вашите собствени усилия се увеличат. Жироскопът обаче е много по-сложен от извора.
Защо се навеждате наляво, когато колата завива надясно?
Какво означава да изпитате „външна сила“, тоест да бъдете подложени на нова сила, когато всъщност нищо ново не ви докосва? Помислете какво се случва, когато сте на пътническата седалка на автомобил, който е пътувал по права линия с постоянна скорост. Тъй като колата не ускорява или забавя, тялото ви не изпитва линейно ускорение и тъй като колата не се върти, вие нямате ъглово ускорение. Тъй като силата е продукт на масата и ускорението, при тези условия не изпитвате нетна сила, дори ако се движите със скорост от 200 мили в час. Това е в съответствие с първия закон за движение на Нютон, който гласи, че обектът в покой ще остане в покой, освен ако не се действа отвън сила, а също така, че обект, движещ се с постоянна скорост в същата посока, ще продължи по точния си път, освен ако не е подложен на външна сила.
Когато обаче колата направи завой надясно, освен ако не положите физически усилия за противодействие на внезапно въвеждане на ъглово ускорение във вашата кола, ще се преобърнете към шофьора наляво. Преминали сте от изпитване на нетна сила до изпитване на сила, сочеща направо от центъра на кръга, колата току-що е започнала да проследява. Тъй като по-кратките завои водят до по-голямо ъглово ускорение при дадена линейна скорост, тенденцията ви да се навеждате наляво е по-изразена, когато шофьорът ви направи остър завой.
Вашата собствена, социално вкоренена практика да прилагате достатъчно усилия, за да се задържите същото положение на седалката ви е аналогично на това, което правят жироскопите, макар и в далеч по-сложна - и ефективна - начин.
Произходът на жироскопа
Жироскопът може да бъде официално проследен до средата на 19 век и френския физик Леон Фуко. Фуко е може би по-известен с махалото, което носи неговото име и е вършило по-голямата част от работата си в оптиката, но той е измислил устройство, което е използвал демонстрират въртенето на Земята, като измислят начин за премахване или изолиране на ефектите на гравитацията върху най-вътрешните части на устройство. Това означава, че всяка промяна в оста на въртене на колелото на жироскопа по време на въртенето му е трябвало да бъде предадена от въртенето на Земята. Така се разгърна първата официална употреба на жироскоп.
Какво представляват жироскопите?
Основният принцип на жироскопа може да бъде илюстриран с помощта на въртящо се колело за велосипед в изолация. Ако трябваше да държите колелото от всяка страна с къса ос, поставена през средата на колелото (като писалка) и някой да завърти колелото, докато държите ще забележите, че ако се опитате да наклоните колелото настрани, то няма да върви в тази посока почти толкова лесно, колкото ако не се върти. Това важи за всяка посока по ваш избор и без значение колко внезапно е въведено движението.
Може би е най-лесно да се опишат частите на жироскопа от най-вътрешната към най-външната. Първо, в центъра е въртящ се вал или диск (и когато се замислите, геометрично погледнато, дискът не е нищо повече от много къс, много широк вал). Това е най-тежкият компонент на аранжимента. Оста, преминаваща през центъра на диска, е прикрепена с почти триещи се сачмени лагери към кръгъл обръч, наречен кардан. Тук историята става странна и изключително интересна. Самият този кардан е прикрепен от подобни сачмени лагери към друг кардан, който е само малко по-широк, така че вътрешният кардан може просто да се върти свободно в рамките на външния кардан. Точките на закрепване на карданите една към друга са по линия, перпендикулярна на оста на въртене на централния диск. И накрая, външният кардан е прикрепен от още по-гладко плъзгащи се сачмени лагери към трети обръч, който служи като рамка на жироскопа.
(Трябва да се консултирате със схема на жироскоп или да гледате кратките видеоклипове в Ресурсите, ако още не сте го направили; в противен случай всичко това е почти невъзможно да се визуализира!)
Ключът към функцията на жироскопа е, че трите взаимосвързани, но независимо въртящи се кардана позволяват движение в три равнини или измерения. Ако нещо би могло да смути оста на въртене на вътрешния вал, това смущение може да се съпротивлява едновременно във всичките три измерения, защото карданите "поглъщат" силата по координиран начин начин. Това, което се случва по същество е, че докато двата вътрешни пръстена се въртят в отговор на каквото и да е нарушение на жироскопа опитни, техните съответни оси на въртене лежат в равнина, която остава перпендикулярна на оста на въртене на вал. Ако тази равнина не се промени, тогава не се променя и посоката на вала.
Физиката на жироскопа
Въртящият момент е сила, приложена около оста на въртене, а не направо. По този начин има ефект върху въртеливото движение, а не върху линейното движение. В стандартните единици това е сила, умножена по "лоста на лоста" (разстоянието от реалния или хипотетичния център на въртене; помисли "радиус"). Следователно има единици N⋅m.
Това, което постига жироскопът в действие, е преразпределение на всички приложени въртящи моменти, така че те да не засягат движението на централния вал. Тук е жизненоважно да се отбележи, че жироскопът не е предназначен да поддържа нещо, което се движи по права линия; има за цел да поддържа нещо в движение с постоянна скорост на въртене. Ако се замислите, вероятно можете да си представите, че космическите кораби, пътуващи до Луната или до по-отдалечени дестинации, не вървят от точка до точка; по-скоро те използват гравитацията, упражнявана от различни тела, и се движат по траектории или криви. Номерът е да се гарантира, че параметрите на тази крива остават постоянни.
По-горе беше отбелязано, че валът или диска, образуващи центъра на жироскопа, са склонни да бъдат тежки. Също така има тенденция да се върти с изключителни скорости - жироскопите на телескопа Хъбъл например се въртят с 19 200 завъртания в минута или 320 в секунда. На пръв поглед изглежда абсурдно, че учените биха оборудвали толкова чувствителен инструмент с смучещ безразсъдно свободен ход (буквално) компонент в средата му. Вместо това, разбира се, това е стратегическо. Импулсът във физиката е просто маса, умножена по скорост. Съответно ъгловият момент е инерция (количество, включващо маса, както ще видите по-долу) по ъглова скорост. В резултат на това, колкото по-бързо се върти колелото и колкото по-голяма е инерцията му с по-голяма маса, толкова по-голям ъглов импулс има вала. В резултат на това карданните и външните компоненти на жироскопа имат висока способност да заглушават ефектите на външния въртящ момент преди този въртящ момент да достигне нива, достатъчни да нарушат ориентацията на вала в пространство.
Пример за елитни жироскопи: Телескопът Хъбъл
Известният телескоп Хъбъл съдържа шест различни жироскопа за навигацията си и те периодично трябва да се сменят. Зашеметяващата скорост на въртене на неговия ротор предполага, че сачмените лагери са непрактични и невъзможни за този калибър жироскоп. Вместо това, Хъбъл използва жироскопи, съдържащи газови лагери, които предлагат толкова близо до истинско въртене без триене, колкото може да се похвали всичко, построено от хората.
Защо първият закон на Нютон понякога се нарича "закон на инерцията"
Инерцията е съпротива срещу промяна в скоростта и посоката, каквито и да са те. Това е обикновената версия на официалната декларация, изложена от Исак Нютон преди векове.
На всекидневен език „инерция“ обикновено се отнася до нежелание да се движи, като например „Щях да кося тревата, но инерцията ме държеше прикована към дивана“. Би било странно обаче да видиш някой, който току-що е достигнал края на 26,2 мили маратон, отказва да спре поради ефектите на инерцията, въпреки че от гледна точка на физиката използването на термина тук би било еднакво допустимо - ако бегачът продължи да се движи в същата посока и със същата скорост, технически това би било инерция при работа. И можете да си представите ситуации, в които хората казват, че не са успели да спрат да правят нещо в резултат на инерция, като: „Щях да напуснете казиното, но инерцията ме караше да ходя от маса на маса. "(В този случай„ инерция "може да е по-добра, но само ако играчът е печеливша!)
Сила ли е инерцията?
Уравнението за ъгловия момент е:
L = Iω
Където L има единици kg ⋅ m2/s. Тъй като мерните единици на ъгловата скорост, ω, са реципрочни секунди или s-1, I, инерцията, има единици kg ⋅ m2. Стандартната единица сила, нютонът, се разпада на kg ⋅ m / s2. По този начин инерцията не е сила. Това не попречи на фразата „сила на инерцията“ да навлезе в масовия народен език, както се случва с други неща, които „се чувстват“ като сили (натискът е добър пример).
Допълнителна бележка: Въпреки че масата не е сила, теглото е сила, въпреки че двата термина се използват взаимозаменяемо в ежедневните настройки. Това е така, защото теглото е функция на гравитацията и тъй като малко хора някога напускат Земята за дълго, теглото на обектите на Земята е на практика постоянно, точно както техните маси са буквално постоянни.
Какво измерва акселерометърът?
Акселерометърът, както подсказва името, измерва ускорението, но само линейно ускорение. Това означава, че тези устройства не са особено полезни в много триизмерни приложения на жироскоп, въпреки че са удобен в ситуации, при които посоката на движение може да се приеме, че се появява само в едно измерение (например типичен асансьор).
Акселерометърът е един вид инерционен сензор. Жироскопът е друго, с изключение на това, че жироскопът измерва ъглово ускорение. И въпреки че извън обхвата на тази тема, магнитометърът е трети вид инерционен сензор, този използван за магнитни полета. Продуктите за виртуална реалност (VR) включват тези инерционни сензори в комбинация, за да осигурят по-стабилно и реалистично изживяване за потребителите.