Na co se používají gyroskopy?

Gyroskop, často jednoduše nazývaný gyroskop (nezaměňujte ho s řeckým obalem na jídlo), moc tisku nezískává. Bez tohoto technického zázraku by však svět - a zejména průzkum lidstva jinými světy - byl zásadně odlišný. Gyroskopy jsou v raketové technice a letectví nepostradatelné a jako bonus je jednoduchý gyroskop skvělou dětskou hračkou.

Gyroskop, i když je to stroj se spoustou pohyblivých částí, je ve skutečnosti senzor. Jeho účelem je udržovat stabilní pohyb rotující části ve středu gyroskopu tváří v tvář posunům sil působených vnějším prostředím gyroskopu. Jsou konstruovány tak, aby tyto vnější posuny byly vyváženy pohyby částí gyroskopu, které vždy stojí proti uloženému posunu. Není to na rozdíl od toho, jak se odpružené dveře nebo past na myši postaví proti vašim pokusům je otevřít, o to silněji, pokud se zvýší vaše vlastní úsilí. Gyroskop je však mnohem složitější než pružina.

Co to znamená zažít „vnější sílu“, to znamená být vystaven nové síle, když se vás ve skutečnosti nic nového nedotýká? Zvažte, co se stane, když sedíte na sedadle spolujezdce automobilu, který jel rovnou rychlostí konstantní rychlostí. Protože auto nezrychluje ani nezpomaluje, vaše tělo nezažije žádné lineární zrychlení a protože se auto neotáčí, nezažijete žádné úhlové zrychlení. Protože síla je produktem hmoty a zrychlení, za těchto podmínek nezažijete žádnou čistou sílu, i když se pohybujete rychlostí 200 mil za hodinu. To je v souladu s prvním Newtonovým zákonem pohybu, který stanoví, že předmět v klidu zůstane v klidu, pokud na něj nebude reagovat vnější síla a také to, že objekt pohybující se konstantní rychlostí ve stejném směru bude pokračovat po své přesné dráze, pokud nebude vystaven vnějšímu platnost.

Když však auto zatáčí doprava, pokud nevynaložíte nějaké fyzické úsilí, abyste se vyrovnali náhlým zavedením úhlového zrychlení do jízdy autem se převrátíte směrem k řidiči k vašemu vlevo, odjet. Přešli jste od prožívání žádné čisté síly k prožívání síly směřující přímo ze středu kruhu, který auto právě začalo sledovat. Protože kratší zatáčky mají za následek větší úhlové zrychlení při dané lineární rychlosti, vaše tendence naklánět se doleva je výraznější, když váš řidič prudce zatočí.

Vaše vlastní, sociálně zakořeněná praxe uplatňování dostatečného množství anti-leaning úsilí, abyste se udrželi v stejná poloha na vašem sedadle je analogická s tím, co dělají gyroskopy, i když v mnohem komplexnějším - a efektivnějším - způsob.

Gyroskop lze formálně vysledovat až do poloviny 19. století a francouzský fyzik Leon Foucault. Foucault je možná lépe známý pro kyvadlo, které si vzal jeho jméno a většinu své práce dělal v optice, ale přišel s přístrojem, který používal demonstrovat rotaci Země tím, že vymyslí způsob, jak ve skutečnosti zrušit nebo izolovat účinky gravitace na nejvnitřnější části Země přístroj. Znamenalo to, že jakákoli změna v ose otáčení kola gyroskopu v době, kdy se točí, musela být předána rotací Země. Tak se odehrálo první formální použití gyroskopu.

Základní princip gyroskopu lze ilustrovat izolovaným použitím točícího se kola kola. Pokud byste měli držet kolo na každé straně krátkou nápravou umístěnou uprostřed kola (jako pero) a někdo by točil kolem, zatímco jste drželi všimli byste si, že kdybyste se pokusili naklonit kolo na jednu stranu, nešlo by tímto směrem téměř tak snadno, jako kdyby se netočilo. To platí pro libovolný směr podle vašeho výběru a bez ohledu na to, jak náhle je pohyb zaveden.

Možná je nejjednodušší popsat části gyroskopu od nejvnitřnějších po nejvzdálenější. Za prvé, ve středu je rotující hřídel nebo disk (a když o tom přemýšlíte, geometricky řečeno, disk není nic jiného než velmi krátký, velmi široký hřídel). Toto je nejtěžší součást uspořádání. Náprava procházející středem disku je připevněna kuličkovými ložisky téměř bez tření k kruhovému obruči, který se nazývá kardan. To je místo, kde se příběh stává podivným a velmi zajímavým. Tento kardan je sám o sobě připevněn podobnými kuličkovými ložisky k jinému kardanu, který je jen o kousek širší, takže vnitřní kardan se může volně otáčet v mezích vnějšího kardanového kloubu. Body připojení kloubů k sobě jsou podél linie kolmé k ose otáčení centrálního disku. Nakonec je vnější kardanový kloub připevněn ještě hladšími klouzavými kuličkovými ložisky ke třetí obruči, která slouží jako rám gyroskopu.

(Pokud jste tak ještě neučinili, měli byste si prohlédnout diagram gyroskopu nebo se podívat na krátká videa ve zdrojích; jinak je to všechno téměř nemožné vizualizovat!)

Klíčem k funkci gyroskopu je, že tři vzájemně propojené, ale nezávisle se točící závěsy umožňují pohyb ve třech rovinách nebo rozměrech. Pokud by něco mohlo narušit osu otáčení vnitřní hřídele, tato porucha může být současně odoláván ve všech třech rozměrech, protože závěsy „absorbují“ sílu koordinovaně způsob. V podstatě se stane, že když se dva vnitřní prstence otáčejí v reakci na jakékoli narušení, které má gyroskop podle zkušeností leží jejich příslušné osy otáčení v rovině, která zůstává kolmá k ose otáčení hřídel. Pokud se tato rovina nezmění, nezmění se ani směr hřídele.

Točivý moment je síla působící spíše kolem osy otáčení než přímo. Má tedy spíše účinky na rotační pohyb než na lineární pohyb. Ve standardních jednotkách je to síla krát „pákové rameno“ (vzdálenost od skutečného nebo hypotetického středu otáčení; myslím "poloměr"). Proto má jednotky N⋅m.

To, čeho dosahuje gyroskop v akci, je přerozdělení všech aplikovaných točivých momentů tak, aby neměly vliv na pohyb centrální hřídele. Zde je důležité si uvědomit, že gyroskop není určen k tomu, aby udržel něco v přímém směru; má to něco udržet v pohybu s konstantní rychlostí otáčení. Pokud o tom přemýšlíte, pravděpodobně si dokážete představit, že kosmické lodě cestující na Měsíc nebo do vzdálenějších destinací nejdou z bodu na bod; spíše využívají gravitaci vyvíjenou různými tělesy a cestují v trajektoriích nebo křivkách. Trik spočívá v zajištění, že parametry této křivky zůstanou konstantní.

Výše bylo uvedeno, že hřídel nebo disk tvořící střed gyroskopu bývají těžké. Má také tendenci otáčet se mimořádnou rychlostí - například gyroskopy na Hubblově dalekohledu rotují rychlostí 19 200 otáček za minutu nebo 320 za sekundu. Navenek se zdá absurdní, že by vědci vybavili tak citlivý přístroj nasáváním bezohledně volnou (doslova) složku uprostřed. Místo toho je to samozřejmě strategické. Hybnost je ve fyzice jednoduše hmotnostní rychlost. Odpovídajícím způsobem je moment hybnosti setrvačnost (množství zahrnující hmotu, jak uvidíte níže) krát úhlová rychlost. Výsledkem je, že čím rychleji se kolo otáčí a čím větší je jeho setrvačnost prostřednictvím větší hmoty, tím větší je moment hybnosti hřídele. Výsledkem je, že kardany a komponenty externího gyroskopu mají vysokou kapacitu pro ztlumení účinků vnějšího točivého momentu předtím, než tento moment dosáhne úrovní dostatečných k narušení orientace hřídele dovnitř prostor.

Známý Hubbleův dalekohled obsahuje pro svou navigaci šest různých gyroskopů, které je pravidelně nutné vyměňovat. Neuvěřitelná rychlost otáčení rotoru znamená, že kuličková ložiska jsou pro tento kalibr gyroskopu nepraktická až nemožná. Místo toho Hubble využívá gyroskopy obsahující plynová ložiska, která nabízejí co nejblíže rotačnímu zážitku skutečně bez tření, jakým se může pochlubit cokoli, co si lidé vytvořili.

Setrvačnost je odpor ke změně rychlosti a směru, ať jsou jakékoli. Toto je laická verze formálního prohlášení předloženého Isaacem Newtonem před staletími.

V běžném jazyce se „setrvačnost“ obvykle vztahuje k neochotě pohybovat se, například „chtěl jsem sekat trávník, ale setrvačnost mě držela přitlačenou na gauč.“ Bylo by divné však vidět někoho, kdo právě dosáhl konce 26,2 mil dlouhého maratonu, odmítnout přestat kvůli účinkům setrvačnosti, i když z hlediska fyziky použití tohoto pojmu by bylo stejně přípustné - pokud by běžec běžel dál stejným směrem a stejnou rychlostí, technicky by to byla setrvačnost při práce. A dokážete si představit situace, ve kterých lidé říkají, že přestali něco dělat v důsledku setrvačnosti, například: „Chystal jsem se opusťte kasino, ale setrvačnost mě udržovala v chodu od stolu ke stolu. “(V tomto případě by„ hybnost “mohla být lepší, ale pouze v případě, že je hráč vítězný!)

Rovnice momentu hybnosti je:

L = Iω

Kde L má jednotky kg ⋅ m²/s. Protože jednotky úhlové rychlosti, ω, jsou reciproční sekundy, nebo s-1, I, setrvačnost, má jednotky kg ⋅ m². Standardní jednotka síly, newton, se rozpadá na kg ⋅ m / s². Setrvačnost tedy není síla. To nezabránilo tomu, aby se fráze „síla setrvačnosti“ nedostala do hlavního proudu lidové mluvy, jak tomu je u jiných věcí, které se „cítí“ jako síly (dobrým příkladem je tlak).

Boční poznámka: I když hmotnost není síla, váha je síla navzdory tomu, že tyto dva pojmy jsou v každodenním prostředí zaměnitelně používány. Je to proto, že váha je funkcí gravitace, a protože jen málo lidí někdy opustí Zemi na dlouho, hmotnosti předmětů na Zemi jsou skutečně konstantní, stejně jako jejich hmotnosti jsou doslova konstantní.

Akcelerometr, jak název napovídá, měří zrychlení, ale pouze lineární zrychlení. To znamená, že tato zařízení nejsou zvláště užitečná v mnoha trojrozměrných aplikacích gyroskopů, i když jsou užitečné v situacích, kdy lze směr pohybu zaujmout pouze v jedné dimenzi (např. typický výtah).

Akcelerometr je jeden typ inerciálního senzoru. Gyroskop je další, až na to, že gyroskop měří úhlové zrychlení. A i když mimo rámec tohoto tématu je magnetometr třetím druhem inerciálního senzoru, který se používá pro magnetická pole. Produkty virtuální reality (VR) obsahují tyto inerciální senzory v kombinaci, aby uživatelům poskytly robustnější a realističtější zážitky.