Το γυροσκόπιο, που συχνά ονομάζεται γυροσκόπιο (δεν πρέπει να συγχέεται με το ελληνικό φαγητό), δεν παίρνει μεγάλο τύπο. Αλλά χωρίς αυτό το θαύμα της μηχανικής, ο κόσμος - και ιδίως η εξερεύνηση άλλων ανθρώπων από τον κόσμο - θα ήταν ριζικά διαφορετικός. Τα γυροσκόπια είναι απαραίτητα στην πυραυλική και αεροναυτική, και ως μπόνους, ένα απλό γυροσκόπιο κάνει ένα σπουδαίο παιχνίδι του παιδιού.
Ένα γυροσκόπιο, αν και μια μηχανή με πολλά κινούμενα μέρη, είναι στην πραγματικότητα ένας αισθητήρας. Σκοπός του είναι να διατηρήσει σταθερή την κίνηση ενός περιστρεφόμενου μέρους στο κέντρο του γυροσκοπίου ενόψει μετατοπίσεων στις δυνάμεις που επιβάλλονται από το εξωτερικό περιβάλλον του γυροσκοπίου. Είναι κατασκευασμένα έτσι ώστε αυτές οι εξωτερικές μετατοπίσεις να αντισταθμίζονται από κινήσεις των τμημάτων του γυροσκοπίου που αντιτίθενται πάντα στην επιβαλλόμενη μετατόπιση. Αυτό δεν είναι διαφορετικό από τον τρόπο με τον οποίο μια πόρτα γεμάτη με ελατήριο ή ποντικοπαγίδα θα αντιταχθεί στις προσπάθειές σας να το τραβήξετε ανοιχτό, ακόμη πιο δυνατά αν αυξηθούν οι προσπάθειές σας. Ένα γυροσκόπιο, ωστόσο, είναι πολύ πιο περίπλοκο από ένα ελατήριο.
Γιατί ακουμπάτε προς τα αριστερά όταν ένα αυτοκίνητο στρίβει δεξιά;
Τι σημαίνει να βιώσετε μια «εξωτερική δύναμη», δηλαδή να υποβληθείτε σε μια νέα δύναμη όταν δεν σας αγγίζει τίποτα νέο; Σκεφτείτε τι συμβαίνει όταν βρίσκεστε στο κάθισμα συνοδηγού ενός αυτοκινήτου που ταξιδεύει σε ευθεία γραμμή με σταθερή ταχύτητα. Επειδή το αυτοκίνητο δεν επιταχύνεται ή επιβραδύνεται, το σώμα σας δεν έχει γραμμική επιτάχυνση και επειδή το αυτοκίνητο δεν περιστρέφεται, δεν έχετε γωνιακή επιτάχυνση. Επειδή η δύναμη είναι το προϊόν της μάζας και της επιτάχυνσης, δεν έχετε καθαρές δυνάμεις υπό αυτές τις συνθήκες, ακόμα κι αν κινείστε με ταχύτητα 200 μιλίων ανά ώρα. Αυτό είναι σύμφωνο με τον πρώτο νόμο κίνησης του Νεύτωνα, ο οποίος δηλώνει ότι ένα αντικείμενο σε κατάσταση ηρεμίας θα παραμείνει σε ηρεμία εκτός εάν ενεργηθεί από εξωτερικό δύναμη, και επίσης ότι ένα αντικείμενο που κινείται με σταθερή ταχύτητα στην ίδια κατεύθυνση θα συνεχίσει κατά μήκος της ακριβούς διαδρομής του, εκτός εάν υποβληθεί σε εξωτερικό δύναμη.
Όταν το αυτοκίνητο στρίβει προς τα δεξιά, ωστόσο, εκτός και αν κάνετε κάποια σωματική προσπάθεια για να αντισταθμίσετε το ξαφνική εισαγωγή γωνιακής επιτάχυνσης στη βόλτα με το αυτοκίνητό σας, θα ανατρέψετε τον οδηγό στο δικό σας αριστερά. Έχετε περάσει από την απουσία καθαρής δύναμης σε μια δύναμη που δείχνει κατευθείαν από το κέντρο του κύκλου που μόλις ξεκίνησε να εντοπίζει το αυτοκίνητο. Επειδή οι μικρότερες στροφές έχουν ως αποτέλεσμα μεγαλύτερη γωνιακή επιτάχυνση με δεδομένη γραμμική ταχύτητα, η τάση σας να κλίνει προς τα αριστερά είναι πιο έντονη όταν ο οδηγός σας κάνει μια απότομη στροφή.
Η δική σας, κοινωνικά ριζωμένη πρακτική να εφαρμόζετε αρκετή προσπάθεια κατά της κλίσης για να κρατήσετε τον εαυτό σας στο Η ίδια θέση στο κάθισμά σας είναι ανάλογη με αυτό που κάνουν τα γυροσκόπια, αν και σε πολύ πιο περίπλοκο - και αποτελεσματικό - τρόπος.
Η προέλευση του γυροσκοπίου
Το γυροσκόπιο εντοπίζεται επισήμως στα μέσα του 19ου αιώνα και ο Γάλλος φυσικός Leon Foucault. Ο Foucault είναι ίσως πιο γνωστός για το εκκρεμές που παίρνει το όνομά του και έκανε το μεγαλύτερο μέρος της δουλειάς του στην οπτική, αλλά βρήκε μια συσκευή που συνήθιζε επιδείξτε την περιστροφή της Γης ανακαλύπτοντας έναν τρόπο, στην πραγματικότητα, να ακυρώσετε ή να απομονώσετε τις επιπτώσεις της βαρύτητας στα εσωτερικά μέρη του συσκευή. Έτσι σήμαινε ότι οποιαδήποτε αλλαγή στον άξονα περιστροφής του τροχού του γυροσκοπίου κατά τη διάρκεια της περιστροφής έπρεπε να είχε μεταδοθεί από την περιστροφή της Γης. Έτσι ξεδιπλώθηκε η πρώτη επίσημη χρήση ενός γυροσκοπίου.
Τι είναι τα γυροσκόπια;
Η βασική αρχή ενός γυροσκοπίου μπορεί να απεικονιστεί χρησιμοποιώντας έναν περιστρεφόμενο τροχό ποδηλάτου μεμονωμένα. Εάν επρόκειτο να κρατήσετε τον τροχό σε κάθε πλευρά από έναν κοντό άξονα τοποθετημένο στο μέσο του τροχού (σαν στυλό) και κάποιος περιστράφηκε τον τροχό ενώ κρατούσατε αυτό, θα παρατηρούσατε ότι αν προσπαθήσατε να ανασηκώσετε τον τροχό στη μία πλευρά, δεν θα πήγαινε προς αυτήν την κατεύθυνση σχεδόν τόσο εύκολα όσο θα αν δεν περιστρέφονταν. Αυτό ισχύει για οποιαδήποτε κατεύθυνση της επιλογής σας και ανεξάρτητα από το πόσο ξαφνικά εισάγεται η κίνηση.
Είναι ίσως ευκολότερο να περιγράψουμε τα μέρη ενός γυροσκοπίου από το εσωτερικό έως το εξώτερο. Πρώτον, στο κέντρο υπάρχει ένας περιστρεφόμενος άξονας ή δίσκος (και όταν το σκέφτεστε, γεωμετρικά, ένας δίσκος δεν είναι τίποτα περισσότερο από έναν πολύ μικρό, πολύ ευρύ άξονα). Αυτό είναι το βαρύτερο συστατικό της ρύθμισης. Ο άξονας που διέρχεται από το κέντρο του δίσκου συνδέεται με ρουλεμάν σχεδόν χωρίς τριβή σε ένα κυκλικό στεφάνι, που ονομάζεται gimbal. Εδώ είναι που η ιστορία γίνεται παράξενη και πολύ ενδιαφέρουσα. Αυτό το αντίζυγο συνδέεται από παρόμοια ρουλεμάν με ένα άλλο αντίζυμο που είναι λίγο πιο πλατύ, έτσι ώστε το εσωτερικό αντίζυμο να μπορεί να περιστρέφεται ελεύθερα εντός των ορίων του εξωτερικού αντίζυγου. Τα σημεία σύνδεσης των αντίζυγων μεταξύ τους είναι κατά μήκος μιας γραμμής κάθετης προς τον άξονα περιστροφής του κεντρικού δίσκου. Τέλος, το εξωτερικό αντίζυμο συνδέεται με ακόμη πιο ομαλά ρουλεμάν σε ένα τρίτο στεφάνι, το οποίο χρησιμεύει ως το πλαίσιο του γυροσκοπίου.
(Θα πρέπει να συμβουλευτείτε ένα διάγραμμα γυροσκοπίου ή να παρακολουθήσετε τα σύντομα βίντεο στους πόρους εάν δεν το έχετε κάνει ήδη. Διαφορετικά, όλα αυτά είναι σχεδόν αδύνατο να απεικονιστούν!)
Το κλειδί για τη λειτουργία του γυροσκοπίου είναι ότι τα τρία διασυνδεδεμένα αλλά ανεξάρτητα περιστρεφόμενα αντίζυγα επιτρέπουν την κίνηση σε τρία επίπεδα ή διαστάσεις. Εάν κάτι πιθανό να διαταράξει τον άξονα περιστροφής του εσωτερικού άξονα, αυτή η διαταραχή μπορεί να αντισταθείτε ταυτόχρονα και στις τρεις διαστάσεις επειδή τα αντίζυγα "απορροφούν" τη δύναμη σε μια συντονισμένη τρόπος. Αυτό που ουσιαστικά συμβαίνει είναι ότι καθώς οι δύο εσωτερικοί δακτύλιοι περιστρέφονται ως απόκριση σε όποια διαταραχή έχει το γυροσκόπιο έμπειροι, οι αντίστοιχοι άξονες περιστροφής βρίσκονται εντός ενός επιπέδου που παραμένει κάθετα στον άξονα περιστροφής του άξονας. Εάν αυτό το επίπεδο δεν αλλάζει, τότε ούτε η κατεύθυνση του άξονα.
Η Φυσική του Γυροσκοπίου
Η ροπή ασκείται με δύναμη γύρω από έναν άξονα περιστροφής και όχι ευθεία. Έχει επομένως επιπτώσεις στην περιστροφική κίνηση παρά στη γραμμική κίνηση. Σε τυπικές μονάδες, είναι η δύναμη φορές του βραχίονα μοχλού (η απόσταση από το πραγματικό ή υποθετικό κέντρο περιστροφής. σκεφτείτε "ακτίνα"). Έχει επομένως μονάδες N⋅m.
Αυτό που επιτυγχάνει ένα γυροσκόπιο σε δράση είναι μια αναδιανομή οποιωνδήποτε εφαρμοσμένων ροπών, έτσι ώστε να μην επηρεάζουν την κίνηση του κεντρικού άξονα. Είναι σημαντικό να σημειωθεί εδώ ότι ένα γυροσκόπιο δεν προορίζεται να διατηρήσει κάτι σε ευθεία γραμμή. προορίζεται να κρατήσει κάτι κινούμενο με σταθερή ταχύτητα περιστροφής. Εάν το σκεφτείτε, πιθανότατα μπορείτε να φανταστείτε ότι το διαστημικό σκάφος που ταξιδεύει στο φεγγάρι ή σε πιο απομακρυσμένους προορισμούς δεν πηγαίνει από σημείο σε σημείο. Αντίθετα, κάνουν χρήση της βαρύτητας που ασκείται από διαφορετικά σώματα και ταξιδεύουν σε τροχιές ή καμπύλες. Το κόλπο είναι να διασφαλιστεί ότι οι παράμετροι αυτής της καμπύλης παραμένουν σταθερές.
Παρατηρήθηκε παραπάνω ότι ο άξονας ή ο δίσκος που σχηματίζει το κέντρο του γυροσκοπίου τείνει να είναι βαρύς. Τείνει επίσης να περιστρέφεται με εξαιρετικές ταχύτητες - τα γυροσκόπια στο τηλεσκόπιο Hubble, για παράδειγμα, περιστρέφονται σε 19.200 περιστροφές ανά λεπτό ή 320 ανά δευτερόλεπτο. Στην επιφάνεια, φαίνεται παράλογο ότι οι επιστήμονες θα εξοπλίσουν ένα τόσο ευαίσθητο όργανο με να πιπιλίζουν μια απερίσκεπτα ελεύθερη περιστροφή (κυριολεκτικά) συστατικό στη μέση του. Αντίθετα, φυσικά, αυτό είναι στρατηγικό. Η ορμή, στη φυσική, είναι απλώς ταχύτητα μάζας. Αντίστοιχα, η γωνιακή ορμή είναι αδράνεια (μια ποσότητα που περιλαμβάνει μάζα, όπως θα δείτε παρακάτω) επί τη γωνιακή ταχύτητα. Ως αποτέλεσμα, όσο πιο γρήγορα περιστρέφεται ο τροχός και όσο μεγαλύτερη είναι η αδράνεια με μεγαλύτερη μάζα, τόσο πιο γωνιακή ορμή έχει ο άξονας. Ως αποτέλεσμα, τα αντίζυγα και τα εξωτερικά στοιχεία του γυροσκοπίου έχουν υψηλή ικανότητα σίγασης των εφέ της εξωτερικής ροπής πριν αυτή η ροπή φτάσει σε επίπεδα επαρκή για να διαταράξει τον προσανατολισμό του άξονα χώρος.
Ένα παράδειγμα γυροσκοπίων Elite: Το τηλεσκόπιο Hubble
Το διάσημο τηλεσκόπιο Hubble περιέχει έξι διαφορετικά γυροσκόπια για την πλοήγησή του, και αυτά τακτικά πρέπει να αντικατασταθούν. Η εκπληκτική ταχύτητα περιστροφής του ρότορά του υποδηλώνει ότι τα ρουλεμάν είναι πρακτικά αδύνατον για αυτό το διαμέτρημα του γυροσκοπίου. Αντ 'αυτού, το Hubble χρησιμοποιεί γυροσκόπια που περιέχουν ρουλεμάν αερίου, τα οποία προσφέρουν τόσο κοντά σε μια πραγματικά περιστροφική εμπειρία περιστροφής όσο οτιδήποτε χτίστηκε από τον άνθρωπο μπορεί να καυχηθεί.
Γιατί ο πρώτος νόμος του Νεύτωνα ονομάζεται μερικές φορές ο «νόμος της αδράνειας»
Η αδράνεια είναι μια αντίσταση στην αλλαγή της ταχύτητας και της κατεύθυνσης, όποια και αν είναι. Αυτή είναι η απλή εκδοχή της επίσημης δήλωσης που είχε εκδώσει ο Isaac Newton πριν από αιώνες.
Στην καθημερινή γλώσσα, η "αδράνεια" αναφέρεται συνήθως σε μια απροθυμία να κινηθώ, όπως, "επρόκειτο να κόψω το γκαζόν, αλλά η αδράνεια με κράτησε στον καναπέ." Θα ήταν παράξενο, ωστόσο, να βλέπεις κάποιον που μόλις έφτασε στο τέλος ενός μαραθωνίου 26,2 μιλίων να αρνείται να σταματήσει λόγω των επιδράσεων της αδράνειας, ακόμη και από φυσική άποψη η χρήση του όρου εδώ θα ήταν εξίσου επιτρεπτή - εάν ο δρομέας συνέχιζε να τρέχει προς την ίδια κατεύθυνση και με την ίδια ταχύτητα, τεχνικά αυτό θα ήταν αδράνεια σε εργασία. Και μπορείτε να φανταστείτε καταστάσεις στις οποίες οι άνθρωποι λένε ότι απέτυχαν να σταματήσουν να κάνουν κάτι ως αποτέλεσμα αδράνειας, όπως, " φύγε από το καζίνο, αλλά η αδράνεια με κράτησε να πηγαίνω από τραπέζι σε τραπέζι. "(Σε αυτήν την περίπτωση, η" ορμή "μπορεί να είναι καλύτερη, αλλά μόνο αν ο παίκτης είναι επιτυχής!)
Είναι η αδράνεια μια δύναμη;
Η εξίσωση για τη γωνιακή ορμή είναι:
L = Ιω
Όπου το L έχει μονάδες kg ⋅ m2/s. Δεδομένου ότι οι μονάδες γωνιακής ταχύτητας, ω, είναι αμοιβαία δευτερόλεπτα, ή s-1, I, η αδράνεια, έχει μονάδες kg ⋅ m2. Η τυπική μονάδα δύναμης, ο Νεύτωνας, κατανέμεται σε kg ⋅ m / s2. Έτσι, η αδράνεια δεν είναι δύναμη. Αυτό δεν εμπόδισε τη φράση "δύναμη αδράνειας" να εισέλθει στην κεντρική κοιλιακή γλώσσα, όπως συμβαίνει με άλλα πράγματα που "αισθάνονται" σαν δυνάμεις (η πίεση είναι καλό παράδειγμα).
Πλευρική σημείωση: Αν και η μάζα δεν είναι δύναμη, το βάρος είναι μια δύναμη παρά τους δύο όρους που χρησιμοποιούνται εναλλακτικά στις καθημερινές ρυθμίσεις. Αυτό συμβαίνει επειδή το βάρος είναι μια συνάρτηση της βαρύτητας, και δεδομένου ότι λίγοι άνθρωποι αφήνουν ποτέ τη Γη για πολύ, τα βάρη των αντικειμένων στη Γη είναι ουσιαστικά σταθερά όπως οι μάζες τους είναι κυριολεκτικά σταθερές.
Τι μετράει ένα επιταχυνσιόμετρο;
Ένα επιταχυνσιόμετρο, όπως υποδηλώνει το όνομα, μετρά την επιτάχυνση, αλλά μόνο γραμμική επιτάχυνση. Αυτό σημαίνει ότι αυτές οι συσκευές δεν είναι ιδιαίτερα χρήσιμες σε πολλές τρισδιάστατες εφαρμογές γυροσκοπίου, αν και είναι βολικό σε καταστάσεις στις οποίες μπορεί να θεωρηθεί ότι η κατεύθυνση κίνησης πραγματοποιείται μόνο σε μία διάσταση (π.χ., ένας τυπικός ανελκυστήρας).
Ένα επιταχυνσιόμετρο είναι ένας τύπος αδρανειακού αισθητήρα. Ένα γυροσκόπιο είναι άλλο, εκτός από το ότι το γυροσκόπιο μετρά τη γωνιακή επιτάχυνση. Και, αν και εκτός του πεδίου αυτού του θέματος, ένα μαγνητόμετρο είναι ένα τρίτο είδος αδρανειακού αισθητήρα, που χρησιμοποιείται για μαγνητικά πεδία. Τα προϊόντα εικονικής πραγματικότητας (VR) ενσωματώνουν αυτούς τους αδρανειακούς αισθητήρες σε συνδυασμό για να παράγουν πιο στιβαρές και ρεαλιστικές εμπειρίες για τους χρήστες.