Untuk Apa Giroskop Digunakan?

Giroskop, sering hanya disebut gyro (jangan dikelirukan dengan bungkus makanan Yunani), tidak mendapatkan banyak tekanan. Tetapi tanpa keajaiban rekayasa ini, dunia – dan khususnya, penjelajahan manusia terhadap dunia lain – secara fundamental akan berbeda. Giroskop sangat diperlukan dalam peroketan dan aeronautika, dan sebagai bonus, giroskop sederhana menjadi mainan anak yang hebat.

Sebuah giroskop, meskipun mesin dengan banyak bagian yang bergerak, sebenarnya adalah sebuah sensor. Tujuannya adalah untuk menjaga gerakan bagian yang berputar di tengah giroskop tetap stabil dalam menghadapi pergeseran gaya yang dipaksakan oleh lingkungan eksternal giroskop. Mereka dibangun sehingga pergeseran eksternal ini diimbangi oleh gerakan bagian giroskop yang selalu menentang pergeseran yang dipaksakan. Ini tidak berbeda dengan cara pintu pegas atau perangkap tikus akan menentang upaya Anda untuk menariknya terbuka, terlebih lagi jika upaya Anda sendiri meningkat. Namun, giroskop jauh lebih rumit daripada pegas.

Apa artinya mengalami "kekuatan luar", yaitu, tunduk pada kekuatan baru ketika tidak ada hal baru yang benar-benar menyentuh Anda? Pertimbangkan apa yang terjadi ketika Anda berada di kursi penumpang sebuah mobil yang telah berjalan dalam garis lurus dengan kecepatan konstan. Karena mobil tidak mempercepat atau memperlambat, tubuh Anda tidak mengalami percepatan linier, dan karena mobil tidak berputar, Anda tidak mengalami percepatan sudut. Karena gaya adalah produk massa dan percepatan, Anda tidak mengalami gaya total dalam kondisi ini, bahkan jika Anda bergerak dengan kecepatan 200 mil per jam. Hal ini sesuai dengan hukum gerak pertama Newton, yang menyatakan bahwa suatu benda yang diam akan tetap diam kecuali jika dikerjakan oleh suatu benda luar. gaya, dan juga bahwa suatu benda yang bergerak dengan kecepatan konstan dalam arah yang sama akan terus bergerak di sepanjang lintasannya yang tepat kecuali dikenai gaya eksternal memaksa.

Namun, ketika mobil berbelok ke kanan, kecuali jika Anda melakukan upaya fisik untuk melawannya pengenalan percepatan sudut yang tiba-tiba ke dalam perjalanan mobil Anda, Anda akan terguling ke arah pengemudi ke Anda kiri. Anda telah beralih dari tidak mengalami gaya total menjadi mengalami gaya yang menunjuk langsung dari pusat lingkaran yang baru saja mulai ditelusuri oleh mobil. Karena belokan yang lebih pendek menghasilkan percepatan sudut yang lebih besar pada kecepatan linier tertentu, kecenderungan Anda untuk condong ke kiri lebih jelas ketika pengemudi Anda berbelok tajam.

Praktik Anda sendiri yang mendarah daging dalam menerapkan upaya anti-condong yang cukup untuk menjaga diri Anda tetap dalam posisi yang sama di kursi Anda analog dengan apa yang dilakukan giroskop, meskipun jauh lebih kompleks – dan efektif – cara.

Giroskop secara resmi dapat ditelusuri kembali ke pertengahan abad ke-19 dan fisikawan Prancis Leon Foucault. Foucault mungkin lebih dikenal karena pendulum yang mengambil namanya dan melakukan sebagian besar pekerjaannya di bidang optik, tetapi ia datang dengan perangkat yang biasa ia gunakan. mendemonstrasikan rotasi Bumi dengan mencari cara untuk, pada dasarnya, membatalkan atau mengisolasi efek gravitasi pada bagian terdalam dari Bumi. alat. Dengan demikian berarti bahwa setiap perubahan pada sumbu rotasi roda giroskop selama putarannya pasti disebabkan oleh rotasi Bumi. Jadi terungkap penggunaan formal pertama dari giroskop.

Prinsip dasar giroskop dapat diilustrasikan dengan menggunakan roda sepeda yang berputar secara terpisah. Jika Anda memegang roda di setiap sisi dengan poros pendek yang ditempatkan di tengah roda (seperti pena) dan seseorang memutar roda saat Anda memegang itu, Anda akan melihat bahwa jika Anda mencoba mengarahkan roda ke satu sisi, roda tidak akan bergerak ke arah itu semudah jika tidak berputar. Ini berlaku untuk arah mana pun yang Anda pilih dan tidak peduli seberapa tiba-tiba gerakan itu diperkenalkan.

Mungkin paling mudah untuk menggambarkan bagian-bagian giroskop dari terdalam ke terluar. Pertama, di tengah adalah poros atau piringan yang berputar (dan ketika Anda memikirkannya, secara geometris, piringan tidak lebih dari poros yang sangat pendek dan sangat lebar). Ini adalah komponen terberat dari pengaturan. Gandar yang melewati bagian tengah piringan dipasang oleh bantalan bola yang nyaris tanpa gesekan ke lingkaran melingkar, yang disebut gimbal. Di sinilah cerita menjadi aneh dan sangat menarik. Gimbal ini sendiri dilekatkan dengan bantalan bola yang mirip dengan gimbal lain yang hanya sedikit lebih lebar, sehingga gimbal bagian dalam dapat berputar bebas di dalam batas gimbal luar. Titik-titik perlekatan gimbal satu sama lain berada di sepanjang garis tegak lurus terhadap sumbu rotasi cakram pusat. Akhirnya, gimbal luar dipasang oleh bantalan bola yang meluncur lebih mulus ke lingkaran ketiga, yang ini berfungsi sebagai kerangka giroskop.

(Anda harus berkonsultasi dengan diagram giroskop atau menonton video pendek di Sumber jika Anda belum melakukannya; jika tidak, semua ini hampir tidak mungkin untuk divisualisasikan!)

Kunci dari fungsi giroskop adalah bahwa tiga gimbal yang saling berhubungan tetapi berputar secara independen memungkinkan gerakan dalam tiga bidang, atau dimensi. Jika ada sesuatu yang berpotensi mengganggu sumbu rotasi poros interior, gangguan ini dapat dilawan secara bersamaan di ketiga dimensi karena gimbal "menyerap" gaya secara terkoordinasi cara. Apa yang pada dasarnya terjadi adalah ketika dua cincin bagian dalam berputar sebagai respons terhadap gangguan apa pun yang dimiliki giroskop dialami, masing-masing sumbu rotasi terletak di dalam bidang yang tetap tegak lurus terhadap sumbu rotasi batang. Jika bidang ini tidak berubah, maka arah poros juga tidak berubah.

Torsi adalah gaya yang diterapkan pada sumbu rotasi daripada lurus. Dengan demikian memiliki efek pada gerak rotasi daripada gerak linier. Dalam satuan standar, ini adalah gaya kali "lengan tuas" (jarak dari pusat rotasi nyata atau hipotetis; berpikir "jari-jari"). Oleh karena itu memiliki satuan N⋅m.

Apa yang dicapai giroskop dalam tindakan adalah redistribusi torsi yang diterapkan sehingga ini tidak mempengaruhi gerakan poros pusat. Penting untuk dicatat di sini bahwa giroskop tidak dimaksudkan untuk menjaga sesuatu tetap bergerak dalam garis lurus; itu dimaksudkan untuk membuat sesuatu tetap bergerak dengan kecepatan putar konstan. Jika Anda memikirkannya, Anda mungkin dapat membayangkan bahwa pesawat ruang angkasa yang melakukan perjalanan ke bulan atau ke tujuan yang lebih jauh tidak pergi dari titik ke titik; melainkan, mereka memanfaatkan gravitasi yang diberikan oleh benda-benda yang berbeda dan bergerak dalam lintasan, atau kurva. Triknya adalah memastikan bahwa parameter kurva ini tetap konstan.

Disebutkan di atas bahwa poros atau piringan yang membentuk pusat giroskop cenderung berat. Ia juga cenderung berputar dengan kecepatan luar biasa – giroskop pada Teleskop Hubble, misalnya, berputar pada 19.200 putaran per menit, atau 320 per detik. Di permukaan, tampaknya tidak masuk akal bahwa para ilmuwan akan melengkapi instrumen sensitif seperti itu dengan menyedot komponen freewheeling (secara harfiah) secara sembrono di tengahnya. Sebaliknya, tentu saja, ini strategis. Momentum, dalam fisika, hanyalah massa kali kecepatan. Sejalan dengan itu, momentum sudut adalah kelembaman (jumlah yang menggabungkan massa, seperti yang akan Anda lihat di bawah) dikalikan kecepatan sudut. Akibatnya, semakin cepat roda berputar dan semakin besar inersianya melalui massa yang lebih besar, semakin besar momentum sudut yang dimiliki poros. Akibatnya, gimbal dan komponen giroskop eksterior memiliki kapasitas tinggi untuk mematikan efek torsi eksternal sebelum torsi mencapai level yang cukup untuk mengganggu orientasi poros di ruang.

Teleskop Hubble yang terkenal berisi enam giroskop berbeda untuk navigasinya, dan ini perlu diganti secara berkala. Kecepatan rotasi yang mengejutkan dari rotornya menyiratkan bahwa bantalan bola tidak praktis hingga tidak mungkin untuk kaliber giroskop ini. Sebagai gantinya, Hubble menggunakan giroskop yang berisi bantalan gas, yang menawarkan pengalaman rotasi yang benar-benar tanpa gesekan seperti yang dapat dibanggakan oleh apa pun yang dibuat oleh manusia.

Inersia adalah resistensi terhadap perubahan kecepatan dan arah, apa pun itu. Ini adalah versi awam dari deklarasi formal yang dikemukakan oleh Isaac Newton berabad-abad yang lalu.

Dalam bahasa sehari-hari, "kelembaman" biasanya mengacu pada keengganan untuk bergerak, seperti, "Saya akan memotong rumput, tetapi kelembaman membuat saya terjepit di sofa." Itu akan aneh, bagaimanapun, untuk melihat seseorang yang baru saja mencapai akhir maraton 26,2 mil menolak untuk berhenti karena efek inersia, meskipun dari sudut pandang fisika penggunaan istilah di sini akan sama-sama diizinkan – jika pelari terus berlari ke arah yang sama dan pada kecepatan yang sama, secara teknis itu akan menjadi inersia di kerja. Dan Anda dapat membayangkan situasi di mana orang mengatakan bahwa mereka gagal berhenti melakukan sesuatu sebagai akibat dari kelembaman, seperti, "Saya akan meninggalkan kasino, tetapi kelembaman membuat saya berpindah dari meja ke meja." (Dalam hal ini, "momentum" mungkin lebih baik, tetapi hanya jika pemainnya kemenangan!)

Persamaan momentum sudut adalah:

L = saya

Dimana L memiliki satuan kg m²/s. Karena satuan kecepatan sudut,, adalah detik timbal balik, atau s-1, I, inersia, memiliki satuan kg m². Satuan gaya standar, newton, dipecah menjadi kg m/s². Jadi inersia bukanlah suatu gaya. Hal ini tidak menghalangi ungkapan "kekuatan inersia" untuk memasuki vernakular arus utama, seperti yang terjadi dengan hal-hal lain yang "terasa" seperti kekuatan (tekanan menjadi contoh yang baik).

Catatan tambahan: Meskipun massa bukanlah gaya, berat adalah gaya meskipun kedua istilah tersebut digunakan secara bergantian dalam situasi sehari-hari. Ini karena berat adalah fungsi gravitasi, dan karena hanya sedikit orang yang pernah meninggalkan Bumi untuk waktu yang lama, berat benda-benda di Bumi secara efektif konstan sama seperti massanya secara harfiah konstan.

Akselerometer, seperti namanya, mengukur percepatan, tetapi hanya percepatan linier. Ini berarti bahwa perangkat ini tidak terlalu berguna dalam banyak aplikasi giroskop tiga dimensi, meskipun berguna dalam situasi di mana arah gerakan dapat dianggap terjadi dalam satu dimensi saja (misalnya, lift biasa).

Akselerometer adalah salah satu jenis sensor inersia. Sebuah giroskop adalah yang lain, kecuali bahwa gyro mengukur percepatan sudut. Dan, meskipun di luar lingkup topik ini, magnetometer adalah jenis ketiga dari sensor inersia, yang satu ini digunakan untuk medan magnet. Produk realitas virtual (VR) menggabungkan sensor inersia ini dalam kombinasi untuk menghasilkan pengalaman yang lebih kuat dan realistis bagi pengguna.