Žiroskop, koji se često naziva i žiroskopom (da se ne bi zamijenio s grčkim zamotajem hrane), nema puno štampe. Ali bez ovog čuda inženjerstva, svijet - i posebno istraživanje čovječanstva o drugim svjetovima - bilo bi bitno drugačije. Žiroskopi su nezamjenjivi u raketnom i aeronautičkom radu, a kao bonus jednostavan žiroskop čini izvrsnu dječju igračku.
Žiroskop, iako stroj s puno pokretnih dijelova, zapravo je senzor. Njegova je svrha održavati gibanje rotirajućeg dijela u središtu žiroskopa ravnomjernim uslijed promjena sila koje nameće vanjsko okruženje žiroskopa. Oni su konstruirani tako da se ti vanjski pomaci uravnotežuju pokretima dijelova žiroskopa koji se uvijek suprotstavljaju nametnutom pomaku. To se ne razlikuje od načina na koji će se vrata s oprugom ili mišolovka suprotstaviti vašim pokušajima da ih otvorite, utoliko snažnije ako se vaši vlastiti napori povećaju. Međutim, žiroskop je mnogo zamršeniji od izvora.
Zašto se naginjete lijevo kad automobil skrene udesno?
Što znači doživjeti "vanjsku silu", odnosno biti podvrgnut novoj sili kad vas zapravo ništa novo ne dodiruje? Razmotrite što se događa kada ste na suvozačkom sjedalu automobila koji je vozio ravnom linijom konstantnom brzinom. Budući da automobil ne ubrzava ni usporava, vaše tijelo ne doživljava linearno ubrzanje, a budući da se automobil ne okreće, ne doživljavate kutno ubrzanje. Budući da je sila umnožak mase i ubrzanja, u tim uvjetima nećete osjetiti neto silu, čak i ako se krećete brzinom od 200 milja na sat. To je u skladu s prvim Newtonovim zakonom gibanja, koji kaže da će objekt koji miruje ostati u mirovanju, osim ako na njega ne djeluje vanjska strana sila, a također da će objekt koji se kreće konstantnom brzinom u istom smjeru nastaviti svojim točnim putem ako nije podložan vanjskoj sila.
Međutim, kada automobil skrene udesno, osim ako ne uložite neki fizički napor da se suprotstavite iznenadno uvođenje kutnog ubrzanja u vašu vožnju automobilom, prevrnut ćete se prema vozaču lijevo. Prešli ste od iskusavanja nikakve neto sile do iskusivanja sile koja pokazuje ravno iz središta kruga koji je automobil tek počeo trasirati. Budući da kraći zavoji rezultiraju većim kutnim ubrzanjem pri zadanoj linearnoj brzini, vaša tendencija naginjanja ulijevo je izraženija kada vaš vozač napravi oštar zavoj.
Vaša vlastita, društveno ukorijenjena praksa primjene taman toliko napora protiv naginjanja da se držite u isti položaj u vašem sjedalu analogan je onome što rade žiroskopi, iako u daleko složenijoj - i učinkovitijoj - put.
Podrijetlo žiroskopa
Žiroskop se formalno može pratiti do sredine 19. stoljeća i francuskog fizičara Leona Foucaulta. Foucault je možda poznatiji po klatnu koji nosi njegovo ime i koji je većinu svojih poslova radio u optici, ali smislio je uređaj koji je nekada koristio demonstrirati rotaciju Zemlje iznalazeći način da se, zapravo, ponište ili izoliraju učinci gravitacije na najunutarnje dijelove uređaj. To je značilo da je svaka promjena osi rotacije žiroskopskog kotača za vrijeme vrtnje morala biti dodijeljena rotacijom Zemlje. Tako se razvila prva formalna upotreba žiroskopa.
Što su žiroskopi?
Osnovni princip žiroskopa može se ilustrirati pomoću izoliranog kotača koji se okreće. Ako biste držali kotač sa svake strane kratkom osovinom postavljenom kroz sredinu kotača (poput olovke) i netko bi okretao kotač dok ste vi držali primijetili biste da ako pokušate prevrnuti kotač na jednu stranu, on ne bi išao u tom smjeru gotovo jednako lako kao da se ne vrti. To vrijedi za bilo koji smjer po vašem izboru i bez obzira koliko iznenada kretanje uvedeno.
Možda je najlakše opisati dijelove žiroskopa od unutarnjeg do krajnjeg. Prvo, u središtu je rotirajuća osovina ili disk (a kad bolje razmislite, geometrijski gledano, disk nije ništa drugo do vrlo kratka, vrlo široka osovina). Ovo je najteža komponenta aranžmana. Osovina koja prolazi kroz središte diska pričvršćena je kugličnim ležajevima bez trenja na kružni obruč, koji se naziva kardan. Tu priča postaje čudna i vrlo zanimljiva. Ovaj je kardanski sklop sličnim kugličnim ležajevima pričvršćen za drugi karični materijal koji je samo malo širi, tako da se unutarnji kardanski prenosnik može slobodno vrtjeti unutar granica vanjskog kardanskog ormana. Točke pričvršćenja kardona jedna uz drugu nalaze se duž crte okomite na os rotacije središnjeg diska. Konačno, vanjski je klip postavljen još glatkim kliznim kugličnim ležajevima na treći obruč, ovaj koji služi kao okvir žiroskopa.
(Trebali biste pogledati dijagram žiroskopa ili pogledati kratke videozapise u Resursima ako to već niste učinili; inače je sve ovo gotovo nemoguće vizualizirati!)
Ključ funkcije žiroskopa je da tri međusobno povezane, ali neovisno okrećuće se gimbale omogućuju kretanje u tri ravnine ili dimenzije. Ako bi nešto moglo poremetiti os rotacije unutarnje osovine, to poremećaj može istodobno se odupirati u sve tri dimenzije jer kardanske koordinate koordinatno "apsorbiraju" silu put. Ono što se u biti događa jest da se dok se dva unutarnja prstena okreću kao odgovor na bilo kakve smetnje u žiroskopu iskusni, njihove odgovarajuće osi rotacije leže unutar ravnine koja ostaje okomita na os rotacije vratilo. Ako se ova ravnina ne promijeni, ne mijenja se ni smjer osovine.
Fizika žiroskopa
Zakretni moment je sila koja se primjenjuje oko osi rotacije, a ne ravno. Stoga utječe na rotacijsko gibanje, a ne na linearno gibanje. U standardnim jedinicama to je sila pomnožena s "polugom poluge" (udaljenost od stvarnog ili hipotetskog središta rotacije; mislite "radijus"). Stoga ima jedinice N⋅m.
Ono što žiroskop u akciji postiže je preraspodjela svih primijenjenih zakretnih momenta tako da oni ne utječu na kretanje središnjeg vratila. Ovdje je vitalno napomenuti da žiroskop nije namijenjen držanju nečega u ravnoj liniji; namijenjeno je da se nešto pokreće s konstantnom brzinom rotacije. Ako dobro razmislite, vjerojatno možete zamisliti da svemirske letjelice koje putuju na Mjesec ili na udaljenija odredišta ne idu od točke do točke; umjesto toga, oni koriste gravitaciju koju vrše različita tijela i putuju u putanjama ili zavojima. Trik je osigurati da parametri ove krivulje ostanu konstantni.
Gore je primijećeno da osovina ili disk koji čine središte žiroskopa imaju tendenciju da budu teški. Također se ima tendenciju vrtjeti izvanrednim brzinama - na primjer, žiroskopi na Hubblovom teleskopu vrte se s 19.200 okretaja u minuti ili 320 u sekundi. Na površini se čini apsurdnim da bi znanstvenici opremili tako osjetljiv instrument s usisavanjem bezobzirne (slobodne) komponente (uslovno) usred njega. Umjesto toga, naravno, ovo je strateško. Zamah je u fizici jednostavno masa pomnožena s brzinom. Sukladno tome, kutni moment je inercija (veličina koja uključuje masu, kao što ćete vidjeti dolje) pomnoženu s kutnom brzinom. Kao rezultat toga, što se brže kotač okreće i što je veća njegova inercija zbog veće mase, osovina ima veći kutni zamah. Kao rezultat toga, kardanski i vanjski dijelovi žiroskopa imaju visoku sposobnost prigušivanja učinaka vanjskog momenta prije nego što taj moment dosegne razinu dovoljnu da poremeti orijentaciju osovine u prostor.
Primjer elitnih žiroskopa: teleskop Hubble
Čuveni teleskop Hubble sadrži šest različitih žiroskopa za navigaciju, a njih povremeno treba zamijeniti. Zapanjujuća brzina rotacije njegovog rotora implicira da su kuglični ležajevi nepraktični i nemogući za ovaj kalibar žiroskopa. Umjesto toga, Hubble koristi žiroskope koji sadrže plinske ležajeve, koji nude ono što je uistinu rotacijsko iskustvo bez trenja koliko se može pohvaliti bilo što što su stvorili ljudi.
Zašto se Newtonov prvi zakon ponekad naziva "Zakonom inercije"
Inercija je otpor promjeni brzine i smjera, kakvi god oni bili. Ovo je laička verzija formalne izjave koju je Isaac Newton iznio prije stoljeća.
U svakodnevnom jeziku, "inercija" se obično odnosi na nesklonost kretanju, poput "Htio sam pokositi travnjak, ali inercija me držala prikovanom za kauč." Bilo bi čudno je, međutim, vidjeti nekoga tko je tek stigao do kraja maratona od 26,2 milje odbija se zaustaviti zbog učinaka inercije, iako s fizičkog stajališta upotreba pojma ovdje bila bi podjednako dopuštena - kad bi trkač nastavio trčati u istom smjeru i istom brzinom, tehnički bi to bila inercija pri raditi. I možete zamisliti situacije u kojima ljudi kažu da nisu uspjeli prestati raditi nešto kao rezultat inercije, poput: "Htio sam napusti kockarnicu, ali inercija me tjerala da idem od stola do stola. "(U ovom slučaju," zamah "bi mogao biti bolji, ali samo ako je igrač osvojivši!)
Je li inercija sila?
Jednadžba kutnog momenta je:
L = Iω
Tamo gdje L ima jedinice kg ⋅ m2/s. Budući da su jedinice kutne brzine, ω, međusobne sekunde ili s-1, ja, inercija, ima jedinice kg ⋅ m2. Standardna jedinica snage, njutn, razbija se na kg ⋅ m / s2. Stoga inercija nije sila. To nije spriječilo frazu "sila inercije" da uđe u uobičajeni narodni jezik, kao što se događa s drugim stvarima koje se "osjećaju" poput sila (pritisak je dobar primjer).
Napomena: Iako masa nije sila, težina je sila, unatoč tome što se dva izraza koriste naizmjenično u svakodnevnim postavkama. To je zato što je težina u funkciji gravitacije, a budući da malo ljudi ikad dugo napušta Zemlju, težine objekata na Zemlji su zapravo konstantne baš kao što su i njihove mase doslovno konstantne.
Što mjeri akcelerometar?
Akcelerometar, kako i samo ime kaže, mjeri ubrzanje, ali samo linearno ubrzanje. To znači da ti uređaji nisu osobito korisni u mnogim trodimenzionalnim aplikacijama žiroskopa, iako jesu zgodan u situacijama u kojima se smjer kretanja može uzeti samo u jednoj dimenziji (npr. tipično dizalo).
Akcelerometar je jedna vrsta inercijskog senzora. Žiroskop je još jedan, osim što žiroskop mjeri kutno ubrzanje. I, iako je izvan djelokruga ove teme, magnetometar je treća vrsta inercijskog senzora, ovaj koji se koristi za magnetska polja. Proizvodi za virtualnu stvarnost (VR) uključuju ove inercijske senzore u kombinaciji kako bi korisnicima stvorili robusnije i realističnije iskustvo.