Mire használják a giroszkópokat?

A gyakran egyszerűen giroszkópnak nevezett giroszkóp (nem tévesztendő össze a görög ételpakolással) nem kap nagy sajtót. De a mérnöki munka ezen csodája nélkül a világ - és különösen az emberiség más világok feltárása - alapvetően más lenne. A giroszkópok nélkülözhetetlenek a rakétában és a repülésben, és bónuszként egy egyszerű giroszkóp remek gyermekjátékot jelent.

A giroszkóp, bár rengeteg mozgó alkatrésszel rendelkező gép, valójában érzékelő. Célja, hogy a giroszkóp közepén lévő forgó alkatrész mozgása stabil maradjon a giroszkóp külső környezete által kifejtett erők elmozdulásával szemben. Úgy vannak felépítve, hogy ezeket a külső elmozdulásokat ellensúlyozzák a giroszkóp alkatrészeinek mozgásai, amelyek mindig ellenzik a kiszabott elmozdulást. Ez nem ellentétben azzal, ahogy egy rugós ajtó vagy egérfogó ellenzi az ön nyitott meghúzásának kísérleteit, annál erőteljesebben, ha saját erőfeszítései fokozódnak. A giroszkóp azonban sokkal bonyolultabb, mint egy rugó.

Mit jelent a "külső erő" megtapasztalása, vagyis új erőnek való kitettség, amikor valójában semmi új nem érint benneteket? Fontolja meg, mi történik, ha egy olyan autó utasülésén tartózkodik, amely egyenes vonalban haladt állandó sebességgel. Mivel az autó nem gyorsul vagy lassul, teste nem tapasztal lineáris gyorsulást, és mivel az autó nem forog, nem tapasztal szöggyorsulást. Mivel az erő a tömeg és a gyorsulás szorzata, ilyen körülmények között nincs tapasztalható nettó erő, még akkor sem, ha 200 mérföld per óra sebességgel halad. Ez összhangban van Newton első mozgástörvényével, amely kimondja, hogy a nyugalmi állapotban lévő tárgy nyugalmi állapotban marad, hacsak külső személy nem cselekszik rajta. erő, és az is, hogy egy állandó sebességgel ugyanabban az irányban mozgó tárgy a saját útján haladjon tovább, hacsak nincs kitéve külső Kényszerítés.

Amikor az autó jobbra kanyarodik, hacsak nem tesz valamilyen fizikai erőfeszítést a a szöggyorsulás hirtelen bevezetése az autóba, a sofőr felé dől bal. A nettó erő tapasztalatától kezdve egy olyan erő megtapasztalásáig jutott, amely egyenesen a kör közepéből mutat ki, amelyet az autó éppen elkezdett nyomon követni. Mivel a rövidebb kanyarodások nagyobb szöggyorsulást eredményeznek egy adott lineáris sebességnél, a balra hajlás hajlamod kifejezettebb, ha a sofőr éles kanyart hajt végre.

Saját, társadalmilag bevett gyakorlata, amely éppen annyi hajlításellenes erőfeszítést alkalmaz, hogy tartsa magát benne ugyanolyan helyzetben van az ülésén, mint a giroszkópoké, bár sokkal összetettebb és hatékonyabb út.

A giroszkóp hivatalosan a 19. század közepére és Leon Foucault francia fizikusra vezethető vissza. Foucault talán jobban ismert arról az ingáról, amely a nevét veszi és munkájának nagy részét optikában végezte, de előállt egy eszközzel, amelyet korábban használt mutassa be a Föld forgását úgy, hogy kitalálja a gravitációnak a föld legbelső részeire gyakorolt ​​hatásainak megszüntetését vagy elkülönítését. eszköz. Ez azt jelentette, hogy a giroszkóp kerék forgástengelyében bekövetkezett bármilyen változást a forgása alatt a Föld forgásának kellett előidéznie. Így kibontakozott a giroszkóp első hivatalos használata.

A giroszkóp alapelve szemléltethető egy forgó kerékpár kerekével, külön-külön. Ha a kereket mindkét oldalon egy rövid tengellyel fogja meg, amely a kerék közepén van elhelyezve (mint egy toll), és valaki elforgatta a kereket, miközben Ön tartotta azt veszi észre, hogy ha megpróbálja az egyik oldalra billenteni a kereket, akkor ez nem megy olyan könnyen, mint akkor, ha nem forog. Ez tetszőleges irányra érvényes, függetlenül attól, hogy a mozgalom hirtelen beindul.

Talán a legegyszerűbb leírni a giroszkóp belsejétől a legkülsőig terjedő részeit. Először is, középen egy forgó tengely vagy tárcsa van (és ha belegondolunk, geometriai értelemben a korong nem más, mint egy nagyon rövid, nagyon széles tengely). Ez az elrendezés legnehezebb eleme. A korong közepén áthaladó tengelyt súrlódásmentes golyóscsapágyak rögzítik egy kör alakú karikához, amelyet kardánnak neveznek. Itt válik furcsává és rendkívül érdekessé a történet. Ez a kardán hasonló golyóscsapágyakkal van rögzítve egy másik kardánhoz, amely csak egy kicsit szélesebb, így a belső kardán csak szabadon foroghat a külső kardán keretein belül. A kardántengelyek egymáshoz való kapcsolódási pontjai egy vonal mentén merőlegesek a központi tárcsa forgástengelyére. Végül a külső kardánt egy még simábban csúszó golyóscsapágy rögzíti egy harmadik karikához, amely a giroszkóp vázaként szolgál.

(Ha még nem tette meg, olvassa el a giroszkóp diagramját, vagy nézze meg a rövid videókat a forrásokban; egyébként mindezt szinte lehetetlen vizualizálni!)

A giroszkóp funkciójának kulcsa, hogy a három egymással összekapcsolt, de egymástól függetlenül forgó kardán lehetővé teszi a mozgást három síkban vagy dimenzióban. Ha valami megzavarhatja a belső tengely forgástengelyét, akkor ez a zavar lehet mindhárom dimenzióban egyszerre kell ellenállni, mert a kardántengelyek koordináltan "elnyelik" az erőt út. Ami lényegében az történik, hogy ahogy a két belső gyűrű forog, reagálva a giroszkóp bármilyen zavarára tapasztaltak szerint, a megfelelő forgástengelyeik egy síkban helyezkednek el, amely merőleges marad a motor forgástengelyére tengely. Ha ez a sík nem változik, akkor a tengely iránya sem.

A nyomaték a forgástengely körül kifejtett erő, nem pedig egyenes. Így a rotációs mozgásra, nem pedig a lineáris mozgásra van hatása. A standard egységekben az erő szorzata a "kar karja" (a valós vagy hipotetikus forgásközponttól való távolság; gondolja "sugár"). Ezért N⋅m egységekkel rendelkezik.

Amit egy giroszkóp működés közben elér, az az összes alkalmazott nyomaték újraelosztása, hogy azok ne befolyásolják a központi tengely mozgását. Létfontosságú itt megjegyezni, hogy a giroszkóp nem arra szolgál, hogy valami egyenes vonalban mozogjon; hivatott valamit mozgásban tartani állandó forgási sebességgel. Ha belegondol, valószínűleg el tudja képzelni, hogy a Holdra vagy a távolabbi célállomásokra utazó űrhajók nem mennek pontról pontra; inkább a különböző testek által kifejtett gravitációt használják fel és pályákon vagy görbékben haladnak. A trükk annak biztosítása, hogy a görbe paraméterei állandóak maradjanak.

A fentiekben megjegyeztük, hogy a giroszkóp közepét képező tengely vagy korong nehéz lenni. Rendkívüli sebességgel is forog - például a Hubble teleszkóp giroszkópjai percenként 19 200, vagy másodpercenként 320 fordulatszámon forognak. A felszínen abszurdnak tűnik, hogy a tudósok egy ilyen érzékeny műszert felszerelnek egy meggondolatlanul szabadon mozgó (szó szerint) alkatrész beszívásával a közepébe. Ehelyett természetesen stratégiai. A lendület a fizikában egyszerűen a tömeg és a sebesség szorzata. Ennek megfelelően a szögmomentum az tehetetlenség (egy tömeg, amely az alábbiakban láthatja a tömeget) szorzata a szögsebesség. Ennek eredményeként, minél gyorsabban forog a kerék, és annál nagyobb a tehetetlensége a nagyobb tömeg révén, annál szögletesebb lendülettel rendelkezik a tengely. Ennek eredményeként a kardánok és a külső giroszkóp alkatrészek nagy kapacitással képesek elnémítani a hatásokat külső nyomatékot, mielőtt ez a nyomaték elérné az elégséges szintet ahhoz, hogy megzavarja a tengely irányát tér.

A híres Hubble teleszkóp hat különböző giroszkópot tartalmaz navigálásához, és ezeket rendszeresen cserélni kell. Rotorjának megdöbbentő forgási sebessége azt jelenti, hogy a golyóscsapágyak gyakorlatlanok vagy lehetetlenek ehhez a kaliberű giroszkóphoz. Ehelyett a Hubble olyan giroszkópokat használ, amelyek gázcsapágyakat tartalmaznak, amelyek olyan közel állnak a valóban súrlódásmentes forgásélményhez, mint amennyivel az emberek építhetnek.

A tehetetlenség a sebesség és az irány változásának ellenállása, bármi is legyen az. Ez a hivatalos nyilatkozat laikus változata, amelyet Isaac Newton évszázadokkal ezelőtt fogalmazott meg.

A mindennapi nyelvben az "tehetetlenség" általában a mozdulatlanságra utal, például: "A gyepet kaszálni akartam, de a tehetetlenség a kanapéra szorított." Lenne furcsa azonban látni, hogy valaki, aki éppen elérte a 26,2 mérföldes maraton végét, a tehetetlenség hatásai miatt nem hajlandó megállni, pedig fizika szempontjából a kifejezés használata itt egyaránt megengedett lenne - ha a futó továbbra is ugyanabba az irányba és ugyanolyan sebességgel futna, akkor ez technikailag tehetetlenség lenne munka. El tud képzelni olyan helyzeteket, amelyekben az emberek azt mondják, hogy a tehetetlenség miatt nem hagytak abba valamit, például: " hagyja el a kaszinót, de a tehetetlenség miatt asztalról asztalra haladtam. "(Ebben az esetben a" lendület "jobb lehet, de csak akkor, ha a játékos nyerő!)

A szögimpulzus egyenlete:

L = Iω

Ahol L-nek kg ⋅ m egységei vannak²/s. Mivel az ω szögsebesség mértékegységei kölcsönös másodpercek, vagy s-1, az I, a tehetetlenség egységei kg units m². A standard erőegység, a newton kg ⋅ m / s-ra oszlik². Tehát a tehetetlenség nem erő. Ez nem akadályozta meg a "tehetetlenségi erő" kifejezést abban, hogy belépjen a népies népnyelvbe, ahogy az más "erőknek érző" dolgokkal történik (a nyomás jó példa).

Mellékjegyzet: Bár a tömeg nem erő, a súly erő annak ellenére, hogy a két kifejezést felcserélhetően használják a mindennapi beállításokban. Ennek oka, hogy a súly a gravitáció függvénye, és mivel csak kevesen hagyják el a Földet sokáig, a Földön lévő tárgyak súlya gyakorlatilag állandó, ahogy tömegük szó szerint állandó.

A gyorsulásmérő, amint a neve is mutatja, a gyorsulást méri, de csak a lineáris gyorsulást. Ez azt jelenti, hogy ezek az eszközök sok háromdimenziós giroszkóp alkalmazásban nem különösebben hasznosak, bár igen hasznos olyan helyzetekben, amikor a mozgás iránya csak egy dimenzióban fordulhat elő (például egy tipikus liftben).

A gyorsulásmérő a tehetetlenségi érzékelők egyik típusa. A giroszkóp egy másik, kivéve, hogy a giroszkóp méri a szöggyorsulást. És bár a téma hatáskörén kívül esik, a magnetométer egy harmadik típusú inerciális érzékelő, amelyet mágneses mezőkhöz használnak. A virtuális valóság (VR) termékei ezeket az inerciális érzékelőket kombinálják, hogy robusztusabb és reálisabb élményt nyújtsanak a felhasználók számára.