Hvad bruges gyroskoper til?

Gyroskopet, ofte bare kaldet en gyro (ikke at forveksle med den græske madpakning), får ikke meget presse. Men uden dette vidunder af teknik ville verden - og især menneskehedens udforskning af andre verdener - være fundamentalt anderledes. Gyroskoper er uundværlige inden for raketry og luftfart, og som en bonus er et simpelt gyroskop et stort barnelegetøj.

Et gyroskop, selvom det er en maskine med masser af bevægelige dele, er faktisk en sensor. Dens formål er at holde bevægelsen af ​​en roterende del i midten af ​​gyroskopet stabil over for forskydninger i de kræfter, der pålægges af gyroskopets ydre miljø. De er konstrueret således, at disse eksterne skift modvægtes af bevægelser af gyroskopets dele, der altid er imod det pålagte skift. Dette er ikke ulig den måde, hvorpå en fjederbelastet dør eller musefælde vil modsætte sig dine forsøg på at trække den op, desto kraftigere, hvis din egen indsats øges. Et gyroskop er dog meget mere indviklet end en fjeder.

Hvad betyder det at opleve en "ekstern styrke", det vil sige at blive udsat for en ny kraft, når intet nyt faktisk rører dig? Overvej hvad der sker, når du sidder i passagersædet i en bil, der har kørt i en lige linje med konstant hastighed. Fordi bilen ikke fremskynder eller bremser, oplever din krop ingen lineær acceleration, og fordi bilen ikke drejer, oplever du ingen vinkelacceleration. Fordi kraft er et produkt af masse og acceleration, oplever du ingen nettokraft under disse forhold, selvom du bevæger dig med en hastighed på 200 miles i timen. Dette er i overensstemmelse med Newtons første bevægelseslov, der siger, at et objekt i hvile vil forblive i ro, medmindre det handles ud af en ekstern kraft, og også at et objekt, der bevæger sig med konstant hastighed i samme retning, fortsætter langs dets nøjagtige sti, medmindre det udsættes for en ekstern kraft.

Når bilen drejer til højre, medmindre du gør en fysisk indsats for at modvirke pludselig introduktion af vinkelacceleration i din biltur, vælter du mod føreren til din venstre. Du er gået fra at opleve ingen nettokraft til at opleve en kraft, der peger lige ud fra midten af ​​cirklen, som bilen lige er begyndt at spore. Fordi kortere sving resulterer i større vinkelacceleration ved en given lineær hastighed, er din tendens til at læne sig til venstre mere udtalt, når din chauffør drejer skarpt.

Din egen, socialt indgroede praksis med at anvende lige nok anti-lænet indsats for at holde dig inde i samme position i dit sæde er analog med hvad gyroskoper gør, omend i en langt mere kompleks - og effektiv - vej.

Gyroskopet kan formelt spores tilbage til midten af ​​det 19. århundrede og den franske fysiker Leon Foucault. Foucault er måske bedre kendt for det pendul, der tager hans navn og gjorde det meste af sit arbejde inden for optik, men han kom op med en enhed, som han plejede at demonstrere jordens rotation ved at finde ud af en måde til i virkeligheden at fjerne eller isolere tyngdekraftens virkninger på de inderste dele af enhed. Således betød, at enhver ændring i gyroskophjulets rotationsakse i løbet af den tid, det drejede, måtte have været båret af jordens rotation. Således udfoldede den første formelle brug af et gyroskop.

Grundprincippet for et gyroskop kan illustreres ved hjælp af et roterende cykelhjul isoleret. Hvis du skulle holde hjulet på hver side ved en kort aksel placeret midt på hjulet (som en pen), og nogen drejede hjulet, mens du holdt det, ville du bemærke, at hvis du forsøgte at vippe hjulet til den ene side, ville det ikke gå i den retning næsten lige så let, som det ville, hvis det ikke drejede. Dette gælder for enhver retning, du vælger, og uanset hvor pludselig bevægelsen introduceres.

Det er måske nemmest at beskrive delene af et gyroskop fra det inderste til det yderste. For det første er der i midten en roterende aksel eller disk (og når man tænker over det geometrisk set er en disk intet andet end en meget kort, meget bred aksel). Dette er den tungeste komponent i arrangementet. Akslen, der passerer gennem midten af ​​skiven, er fastgjort med næsten friktionsløse kuglelejer til en cirkulær ramme, kaldet en kardan. Det er her historien bliver mærkelig og meget interessant. Denne kardan er selv fastgjort af lignende kuglelejer til en anden kardan, der bare er en lille smule bredere, så den indre kardan kun kan dreje frit inden for den ydre kardan. Fastgørelsespunkterne for gimbalerne til hinanden er langs en linje vinkelret på den centrale skives rotationsakse. Endelig er den ydre kardan fastgjort med endnu mere glidende glidende kuglelejer til en tredje ramme, hvor denne fungerer som rammen for gyroskopet.

(Du bør se et diagram over et gyroskop eller se de korte videoer i ressourcerne, hvis du ikke allerede har gjort det; Ellers er alt dette næsten umuligt at visualisere!)

Nøglen til gyroskopets funktion er, at de tre indbyrdes forbundne, men uafhængigt roterende kardanled tillader bevægelse i tre plan eller dimensioner. Hvis noget potentielt kunne forstyrre den indvendige aksels rotationsakse, kan denne forstyrrelse være modstået samtidigt i alle tre dimensioner, fordi kardanene "absorberer" kraften i en koordineret vej. Hvad der i det væsentlige sker er, at når de to indre ringe roterer som reaktion på den forstyrrelse, gyroskopet har erfarne ligger deres respektive rotationsakse i et plan, der forbliver vinkelret på rotationsaksen for aksel. Hvis dette plan ikke ændrer sig, ændrer skaftets retning heller ikke.

Momentet påføres kraft omkring en rotationsakse snarere end lige på. Det har således virkninger på rotationsbevægelse snarere end lineær bevægelse. I standardenheder er det kraft gange "løftearmen" (afstanden fra det virkelige eller hypotetiske rotationscenter; tænk "radius"). Det har derfor enheder på Nm.

Hvad et gyroskop i aktion udfører, er en omfordeling af anvendte drejningsmomenter, så disse ikke påvirker bevægelsen af ​​den centrale aksel. Det er vigtigt at bemærke her, at et gyroskop ikke er beregnet til at holde noget i bevægelse i en lige linje; det er meningen at holde noget i bevægelse med konstant rotationshastighed. Hvis du tænker over det, kan du sandsynligvis forestille dig, at rumfartøjer, der rejser til månen eller til fjernere destinationer, ikke går punkt til punkt; snarere bruger de tyngdekraften udøvet af forskellige kroppe og bevæger sig i baner eller kurver. Tricket er at sikre, at parametrene for denne kurve forbliver konstante.

Det blev bemærket ovenfor, at skaftet eller skiven, der danner centrum af gyroskopet, har tendens til at være tung. Det har også en tendens til at dreje ved ekstraordinære hastigheder - gyroskoperne på Hubble-teleskopet roterer for eksempel ved 19.200 omdrejninger i minuttet eller 320 i sekundet. På overfladen virker det absurd, at forskere vil udstyre et så følsomt instrument med at suge en hensynsløs frihjulskomponent (bogstaveligt talt) midt i det. I stedet for er det selvfølgelig strategisk. Momentum, i fysik, er simpelthen masse gange hastighed. Tilsvarende er vinkelmoment inerti (en mængde, der indeholder masse, som du vil se nedenfor) gange vinkelhastigheden. Som et resultat, jo hurtigere hjulet drejer, og jo større dets inerti ved hjælp af større masse, jo mere vinkelmoment har akslen. Som et resultat har gimbals og udvendige gyroskopkomponenter en høj kapacitet til at dæmpe effekterne af det ydre drejningsmoment, før det drejningsmoment når niveauer, der er tilstrækkelige til at forstyrre akselens retning plads.

Det berømte Hubble-teleskop indeholder seks forskellige gyroskoper til dets navigation, og disse skal regelmæssigt udskiftes. Rotorens svimlende rotationshastighed indebærer, at kuglelejer er upraktiske til umulige for denne kaliber af gyroskop. I stedet bruger Hubble gyroskoper, der indeholder gaslejer, som tilbyder så tæt på en virkelig gnidningsfri rotationsoplevelse, som alt hvad der er bygget af mennesker, kan prale af.

Træghed er en modstand mod ændring i hastighed og retning, uanset hvad de er. Dette er lægversionen af ​​den formelle erklæring, der blev fremsat af Isaac Newton for århundreder siden.

I hverdagssproget refererer "inerti" normalt til en modvilje mod at bevæge sig, såsom "Jeg ville klippe plænen, men inerti holdt mig fastgjort til sofaen." Det ville være mærkeligt dog at se nogen, der lige har nået slutningen af ​​en 26,2 mils maraton nægte at stoppe på grund af virkningen af ​​inerti, selvom det fra et fysiksynspunkt er brugen af ​​udtrykket her ville være lige så tilladt - hvis løberen fortsatte med at løbe i samme retning og i samme hastighed, teknisk set ville det være inerti ved arbejde. Og du kan forestille dig situationer, hvor folk siger, at de undlod at stoppe med at gøre noget på grund af inerti, som "Jeg skulle forlader kasinoet, men inerti holdt mig gående fra bord til bord. "(I dette tilfælde er" momentum "måske bedre, men kun hvis spilleren er vinder!)

Ligningen for vinkelmoment er:

L = Iω

Hvor L har enheder på kg ⋅ m²/s. Da enhederne med vinkelhastighed, ω, er gensidige sekunder, eller s-1, har I, inertien, enheder på kg ⋅ m². Standardkraftenheden, Newton, nedbrydes i kg ⋅ m / s². Således er inerti ikke en kraft. Dette har ikke forhindret sætningen "inerti-kraft" fra at komme ind i den almindelige sprog, som det sker med andre ting, der "føles" som kræfter (tryk er et godt eksempel).

Sidebemærkning: Mens masse ikke er en kraft, er vægt en kraft på trods af at de to udtryk bruges om hverandre i hverdagens indstillinger. Dette skyldes, at vægten er en funktion af tyngdekraften, og da få mennesker nogensinde forlader jorden for længe, ​​er vægten af ​​objekter på jorden effektivt konstant, ligesom deres masser bogstaveligt talt er konstante.

Et accelerometer måler, som navnet antyder, acceleration, men kun lineær acceleration. Dette betyder, at disse enheder ikke er særlig nyttige i mange tredimensionelle gyroskopapplikationer, selvom de er det praktisk i situationer, hvor bevægelsesretningen kun kan forekomme i en dimension (f.eks. en typisk elevator).

Et accelerometer er en type inerti-sensor. Et gyroskop er et andet, bortset fra at gyroen måler vinkelacceleration. Og selvom uden for dette emnets anvendelsesområde, er et magnetometer en tredje slags inertisensor, denne bruges til magnetfelter. VR-produkter (Virtual reality) inkorporerer disse inertisensorer i kombination for at producere mere robuste og realistiske oplevelser for brugerne.