Milleks kasutatakse güroskoope?

Güroskoop, mida sageli nimetatakse lihtsalt güroskoopiks (mitte segi ajada Kreeka toidupakendiga), ei saa palju ajakirjandust. Kuid ilma selle insenerimeheta oleks maailm - ja eriti inimkonna teiste maailmade uurimine - põhimõtteliselt erinev. Güroskoobid on raketis ja lennunduses asendamatud ning boonusena saab lihtne güroskoop suurepärase lapse mänguasja.

Güroskoop, kuigi masin, kus on palju liikuvaid osi, on tegelikult sensor. Selle eesmärk on hoida püsiosa liikumist güroskoobi keskel stabiilsena, pidades silmas güroskoobi väliskeskkonnast tulenevate jõudude muutusi. Need on üles ehitatud nii, et neid väliseid nihkeid tasakaalustavad güroskoobi osade liikumised, mis on alati vastu kehtestatud nihkele. See pole erinevalt viisist, kuidas vedruga uks või hiirelõks on vastu teie katsetele seda lahti tõmmata, seda jõulisemalt, kui teie enda jõupingutused suurenevad. Güroskoop on aga palju keerukam kui vedru.

Mida tähendab "välise jõu" kogemine, see tähendab uue jõu allutamine, kui miski uus teid tegelikult ei puuduta? Mõelge, mis juhtub, kui olete auto kõrvalistmel, mis on sirgjoonel liikunud ühtlase kiirusega. Kuna auto ei kiirenda ega aeglusta kiirust, ei tunne teie keha lineaarset kiirendust ja kuna auto ei pöördu, siis ei toimu ka nurkkiirendust. Kuna jõud on massi ja kiirenduse korrutis, ei teki nendes tingimustes ühtegi netojõudu, isegi kui liigute kiirusega 200 miili tunnis. See on kooskõlas Newtoni esimese liikumisseadusega, mis ütleb, et puhkeseisundis olev objekt jääb puhkama, kui väljastpoolt ei käitu. jõudu ja ka seda, et samas suunas püsiva kiirusega liikuv objekt jätkab oma täpset rada, välja arvatud juhul, kui seda jõud.

Kui auto teeb pöörde paremale, kui te ei tee füüsilisi jõupingutusi selle vastu võitlemiseks nurkkiirenduse järsk sisseviimine autosõitu, kukute juhi suunas enda poole vasakule. Olete kogenud võrgujõu kogemiseta jõudude kogemist otse ringi keskelt välja, mida auto on just hakanud jälitama. Kuna lühemate pöörete korral on antud lineaarkiirusel suurem nurkkiirendus, on teie kalduvus vasakule kalduda rohkem esile, kui juht teeb järsu pöörde.

Teie enda sotsiaalselt juurdunud tava rakendada just nii palju kallutamisvastaseid pingutusi, et ennast selles hoida sama asukoht teie istmel on analoogne güroskoobide omaga, ehkki palju keerukamas ja tõhusamas tee.

Güroskoobi saab ametlikult jälgida 19. sajandi keskpaigast ja prantsuse füüsikust Leon Foucault'st. Foucault on võib-olla paremini tuntud pendli poolest, mis võtab tema nime ja tegi suurema osa oma tööst optikas, kuid ta tuli välja seadmega, mida ta varem kasutas demonstreerida Maa pöörlemist, mõeldes välja, kuidas gravitatsiooni mõjud sisemise osa sisekülgedele tegelikult kaotada või isoleerida seade. Seega tähendas see, et mis tahes muutused güroskoobi ratta pöörlemisteljel selle pöörlemise ajal pidid olema põhjustatud Maa pöörlemisest. Nii avanes güroskoobi esimene ametlik kasutamine.

Güroskoobi põhiprintsiipi saab illustreerida eraldi pöörleva jalgratta ratta abil. Kui hoiate ratast mõlemal küljel lühikese telje kaudu, mis on asetatud läbi ratta keskosa (nagu pliiats), ja keegi pööras ratast, kui hoidsite märkate, et kui prooviksite ratast ühele küljele kallutada, ei läheks see selles suunas peaaegu sama hõlpsalt kui siis, kui see ei pöörleks. See kehtib teie valitud suvalise suuna jaoks ja olenemata sellest, kui äkki liikumine sisse viiakse.

Võib-olla on kõige lihtsam kirjeldada güroskoobi osi sisemisest äärepoolseimani. Esiteks on keskel pöörlev võll või ketas (ja kui sellele mõelda, siis geomeetriliselt pole ketas muud kui väga lühike, väga lai võll). See on kokkuleppe kõige raskem komponent. Ketta keskosa läbiv telg on peaaegu hõõrdeta kuullaagritega kinnitatud ümmarguse rõnga külge, mida nimetatakse kardaaniks. Siin läheb lugu kummaliseks ja ülimalt huvitavaks. See kardaan on ise sarnaste kuullaagrite abil kinnitatud teise kardaaniga, mis on lihtsalt veidi laiem, nii et sisemine kardaan saab välise kardaani piirides lihtsalt vabalt pöörelda. Kardaanide kinnituskohad üksteise suhtes asuvad piki keskketta pöörlemisteljega risti asetsevat joont. Lõpuks kinnitatakse välimine kardaan veel siledamalt libisevate kuullaagrite abil kolmanda rõnga külge, see on güroskoobi raam.

(Kui te pole seda veel teinud, peaksite uurima güroskoobi skeemi või vaatama ressurssides olevaid lühivideoid; muidu on seda kõike peaaegu võimatu visualiseerida!)

Güroskoobi funktsiooni võti on see, et kolm omavahel ühendatud, kuid iseseisvalt pöörlevat kardaani võimaldavad liikumist kolmes tasapinnas ehk mõõtmetes. Kui miski peaks sisevõlli pöörlemistelge potentsiaalselt häirima, võib see häirida tuleb kõigis kolmes dimensioonis üheaegselt vastu seista, kuna kardaanid "neelavad" jõu koordineeritult tee. Põhimõtteliselt juhtub see, et kui kaks sisemist rõngast pöörlevad vastusena güroskoobi häiretele kogenud, asuvad nende vastavad pöörlemisteljed tasapinnas, mis jääb risti pöörlemisteljega võlli. Kui see tasapind ei muutu, siis ei muutu ka võlli suund.

Pöördemoment on pöörlemistelje ümber rakendatav jõud, mitte sirge. Seega mõjutab see pigem pöördliikumist kui lineaarset liikumist. Standardühikutes on see jõukordne "hoova õlg" (kaugus tegelikust või hüpoteetilisest pöörlemiskeskmest; mõtle "raadius"). Seetõttu on sellel N⋅m ühikud.

See, mida toimiva güroskoobi abil saavutatakse, on kõigi rakendatud pöördemomentide ümberjaotamine, nii et need ei mõjutaks keskvõlli liikumist. Siinkohal on ülioluline märkida, et güroskoobi eesmärk ei ole hoida midagi sirgjoonel liikuvat; selle eesmärk on hoida midagi liikuvat püsiva pöörlemiskiirusega. Kui järele mõelda, võite tõenäoliselt ette kujutada, et Kuule või kaugematesse sihtkohtadesse suunduvad kosmoseaparaadid ei lähe punktist punkti; pigem kasutavad nad erinevate kehade raskusjõudu ja liiguvad trajektooridel või kurvides. Trikk on tagada, et selle kõvera parameetrid püsiksid konstantsena.

Eespool märgiti, et güroskoobi keskpunkti moodustav võll või ketas kipub olema raske. Samuti kipub see pöörlema ​​erakordse kiirusega - näiteks Hubble'i teleskoobi güroskoobid pöörlevad 19 200 pööret minutis ehk 320 sekundis. Pealtnäha tundub absurdne, et teadlased varustaksid nii tundliku instrumendi selle keskele hoolimatult vabakäigulise (sõna otseses mõttes) komponendi imemisega. Selle asemel on see muidugi strateegiline. Hoog on füüsikas lihtsalt mass korda kiirus. Vastavalt on nurga impulss inerts (mass, mis sisaldab massi, nagu näete allpool) korda nurkkiirus. Selle tulemusel on nii, et mida kiiremini ratas pöörleb ja mida suurem on selle inerts suurema massi tõttu, seda suurem on võlli nurk. Selle tulemusena on kardaanid ja güroskoobi välised komponendid võimelised mõju summutama välise pöördemomendi enne, kui see saavutab taseme, mis on piisav võlli orientatsiooni häirimiseks ruumi.

Kuulus Hubble'i teleskoop sisaldab navigeerimiseks kuut erinevat güroskoopi ja need tuleb perioodiliselt asendada. Selle rootori hämmastav pöörlemiskiirus tähendab, et kuullaagrid on selle kaliibriga güroskoobi jaoks ebapraktilised või võimatud. Selle asemel kasutab Hubble güroskoope, mis sisaldavad gaasilaagreid, mis pakuvad tõeliselt hõõrdevaba pöörlemiskogemuse lähedust, nii nagu kõik, mida ehitavad inimesed, saavad kiidelda.

Inertsus on vastupidavus kiiruse ja suuna muutumisele, olenemata sellest, mis need on. See on Isaac Newtoni sajandeid tagasi esitatud ametliku deklaratsiooni ilmne versioon.

Igapäevases keeles tähendab "inerts" tavaliselt vastumeelsust liikumiseks, näiteks: "Ma kavatsesin muru niita, kuid inerts hoidis mind diivanil kinnitatud". See oleks veider, kui näeme, et keegi, kes on just jõudnud 26,2 miili maratoni lõppu, keeldub inertside mõjul peatumast, kuigi füüsika seisukohast termini kasutamine oleks siin võrdselt lubatud - kui jooksja jätkaks sama suuna ja sama kiirusega jooksmist, oleks tehniliselt see inerts töö. Ja võite ette kujutada olukordi, kus inimesed ütlevad, et neil ei õnnestunud inertsist midagi lõpetada, näiteks: "Ma kavatsesin lahkuge kasiinost, kuid inerts hoidis mind lauast lauda. "(Sel juhul võib" hoog "olla parem, kuid ainult siis, kui mängija on võitnud!)

Nurgaimpulsi võrrand on:

L = Iω

Kus L on ühikud kg ⋅ m²/s. Kuna nurkkiiruse ühikud ω on vastastikused sekundid või s-1, on mul inertsil ühikud kg ⋅ m². Standardne jõuühik njuuton jaguneb kilogrammideks m / s². Seega pole inerts jõud. See ei ole hoidnud fraasi "inertsjõud" sisenemast peavoolu rahvakeelde, nagu juhtub muude asjadega, mis "tunduvad" jõududena (rõhk on hea näide).

Kõrvalmärkus: kuigi mass ei ole jõud, on kaal siiski jõud, vaatamata sellele, et neid kahte mõistet kasutatakse igapäevases keskkonnas vaheldumisi. Seda seetõttu, et kaal on gravitatsiooni funktsioon ja kuna vähesed inimesed lahkuvad Maalt kunagi kauaks, on Maal olevate objektide kaal tegelikult sama, kui nende mass on sõna otseses mõttes konstantne.

Kiirendusmõõtur, nagu nimigi ütleb, mõõdab kiirendust, kuid ainult lineaarset kiirendust. See tähendab, et need seadmed pole eriti kasulikud paljudes kolmemõõtmelistes güroskoobi rakendustes, ehkki on mugav olukordades, kus liikumissuund võib toimuda ainult ühes dimensioonis (nt tüüpiline lift).

Kiirendusmõõtur on ühte tüüpi inertsiandureid. Güroskoop on teine, välja arvatud see, et güroskoop mõõdab nurkkiirendust. Ehkki magnetomeeter on väljaspool selle teema reguleerimisala, on see kolmas liiki inertsiandur, mida kasutatakse magnetväljade jaoks. Virtuaalreaalsuse (VR) tooted sisaldavad neid inertsiaalseid andureid koos, et luua kasutajatele jõulisemaid ja realistlikumaid kogemusi.