לשם מה משמשים גירוסקופים?

הג'ירוסקופ, המכונה לעתים קרובות ג 'יירו (לא להתבלבל עם אריזת המזון היוונית), אינו זוכה לעיתונות רבה. אך ללא הפלא הזה של ההנדסה, העולם - ובמיוחד חקר האנושות אחר עולמות אחרים - היה שונה במהותו. גירוסקופים הם הכרחיים ברקטיקה ובאווירונאוטיקה, וכבונוס, גירוסקופ פשוט הופך צעצוע גדול לילדים.

גירוסקופ, אם כי מכונה עם הרבה חלקים נעים, הוא למעשה חיישן. מטרתו לשמור על יציבות תנועתו של חלק מסתובב במרכז הג'ירוסקופ לנוכח תזוזות בכוחות שמטילה הסביבה החיצונית של הג'ירוסקופ. הן בנויות כך שתמורות חיצוניות אלה מאוזנות על ידי תנועות חלקי הג'ירוסקופ המתנגדות תמיד לשינוי המוטל. זה לא שונה מהאופן בו דלת קפיצית או מלכודת עכברים יתנגדו לניסיונותיך לפתוח אותה, על אחת כמה וכמה אם המאמצים שלך יגברו. אולם גירוסקופ מורכב בהרבה ממעיין.

מה הפירוש של חוויה של "כוח חיצוני", כלומר להיות נתון לכוח חדש כששום דבר חדש לא ממש נוגע בך? שקול מה קורה כשאתה במושב הנוסע של מכונית שנסעה בקו ישר במהירות קבועה. מכיוון שהמכונית לא מואצת או מאיטה, הגוף שלך לא חווה תאוצה לינארית, ומכיוון שהמכונית לא מסתובבת, אתה לא חווה שום תאוצה זוויתית. מכיוון שכוח הוא תוצר של מסה ותאוצה, אינך חווה שום כוח נטו בתנאים אלה, גם אם אתה נע במהירות של 200 מייל לשעה. זה בהתאם לחוק התנועה הראשון של ניוטון, הקובע כי אובייקט במנוחה יישאר במנוחה אלא אם כן פעל על ידי גורם חיצוני כוח, וגם שאובייקט שנע במהירות קבועה באותו כיוון ימשיך בדרך המדויקת שלו אלא אם כן הוא נתון לחיצוני כּוֹחַ.

כאשר המכונית עושה פנייה ימינה, אלא אם כן אתה עושה קצת מאמץ פיזי כדי לנטרל את המכונית הכנסה פתאומית של תאוצה זוויתית בנסיעה ברכב שלך, אתה תתהפך לכיוון הנהג אל שלך שמאלה. לא עברת שום כוח נטו לחוויה של כוח שמצביע ישר ממרכז המעגל שהמכונית רק החלה להתחקות אחריה. מכיוון שפניות קצרות יותר מביאות לתאוצה זוויתית גדולה יותר במהירות לינארית נתונה, הנטייה שלך להישען שמאלה בולטת יותר כאשר הנהג שלך עושה סיבוב חד.

הנוהג המושרש שלך מבחינה חברתית ליישם מספיק מאמץ נגד נטייה כדי לשמור על עצמך אותה מיקום במושב שלך מקביל למה שג'ירוסקופים עושים, אם כי במורכב הרבה יותר ויעיל - דֶרֶך.

ניתן לייחס את הגירוסקופ באופן רשמי לאמצע המאה ה -19 ולפיזיקאי הצרפתי ליאון פוקו. פוקו אולי ידוע יותר בזכות המטוטלת שתופסת את שמו ועשתה את מרבית עבודתו באופטיקה, אך הוא המציא מכשיר שהיה רגיל להשתמש בו להדגים את סיבוב כדור הארץ על ידי בירור דרך, למעשה, לבטל או לבודד את השפעות הכבידה על החלקים הפנימיים ביותר של התקן. פירוש הדבר היה שכל שינוי בציר הסיבוב של גלגל הגירוסקופ בתקופת הסתובבותו היה צריך להיות מועבר על ידי סיבוב כדור הארץ. כך התפתח השימוש הרשמי הראשון בגירוסקופ.

ניתן להמחיש את העיקרון הבסיסי של גירוסקופ באמצעות גלגל אופניים מסתובב בבידוד. אם היית מחזיק את הגלגל בכל צד על ידי ציר קצר שהונח באמצע הגלגל (כמו עט) ומישהו סובב את הגלגל בזמן שאתה מחזיק זה, היית שם לב שאם תנסה להטות את הגלגל לצד אחד, זה לא ילך בכיוון הזה כמעט באותה מידה כמו שהוא היה מסתובב. זה תקף לכל כיוון לבחירתך ולא משנה כמה פתאום התנועה מוצגת.

זה אולי הכי קל לתאר את החלקים של גירוסקופ מהפנימי ביותר עד החיצוני. ראשית, במרכז נמצא פיר או דיסק מסתובב (וכשחושבים על זה, מבחינה גיאומטרית, דיסק הוא לא יותר מאשר פיר קצר מאוד ורחב מאוד). זהו המרכיב הכבד ביותר של ההסדר. הציר העובר במרכז הדיסק מחובר על ידי מיסבי כדור חסרי חיכוך לחישוק מעגלי, הנקרא גימבל. כאן הסיפור נהיה מוזר ומעניין ביותר. גימבל זה מחובר בעצמו על ידי מיסבי כדור דומים לגימבל אחר שרק מעט יותר רחב, כך שהגימבל הפנימי יכול פשוט להסתובב בחופשיות בגבולות הגימבל החיצוני. נקודות ההצמדה של הגימבלים זה לזה הן לאורך קו בניצב לציר הסיבוב של הדיסק המרכזי. לבסוף, הגימבל החיצוני מחובר על ידי מיסבי כדור החלקה עוד יותר לחישוק שלישי, זה משמש כמסגרת הג'ירוסקופ.

(עליך להתייעץ בתרשים של גירוסקופ או לצפות בסרטונים הקצרים במשאבים אם עדיין לא עשית זאת; אחרת, כל זה כמעט בלתי אפשרי להמחשה!)

המפתח לתפקוד הג'ירוסקופ הוא ששלושת הגימבלים המקושרים זה לזה אך מסתובבים באופן עצמאי מאפשרים תנועה בשלושה מישורים, או ממדים. אם משהו עלול להפריע לציר הסיבוב של הפיר הפנימי, הפרעה זו יכולה להתנגד בו זמנית בכל שלושת המימדים מכיוון שהגימבלים "סופגים" את הכוח במתואם דֶרֶך. מה שקורה בעצם הוא שכששתי הטבעות הפנימיות מסתובבות בתגובה לכל הפרעה שיש בג'ירוסקופ מנוסים, צירי הסיבוב שלהם נמצאים בתוך מישור שנשאר בניצב לציר הסיבוב של פיר. אם המטוס הזה לא משתנה, אז גם כיוון הפיר.

מומנט הוא כוח המופעל סביב ציר סיבוב ולא ישר. לפיכך יש לו השפעות על תנועה סיבובית ולא על תנועה לינארית. ביחידות סטנדרטיות זהו כוח כפול "זרוע המנוף" (המרחק ממרכז הסיבוב האמיתי או ההיפותטי; תחשוב "רדיוס"). לכן יש לו יחידות N⋅m.

מה שמשיג גירוסקופ בפעולה הוא חלוקה מחדש של כל המומנטים המיושמים כך שאלו לא ישפיעו על תנועת הפיר המרכזי. חשוב לציין כאן שג'ירוסקופ לא נועד לשמור על משהו נע בקו ישר; זה נועד לשמור על משהו זז במהירות סיבובית קבועה. אם אתה חושב על זה, אתה בטח יכול לדמיין שחלליות שנוסעות לירח או ליעדים רחוקים יותר אינן הולכות נקודה לנקודה; אלא, הם משתמשים בכוח המשיכה שמפעילים גופים שונים ונוסעים במסלולים, או בקימורים. החוכמה היא להבטיח שהפרמטרים של עקומה זו יישארו קבועים.

צוין לעיל כי הפיר או הדיסק המהווים את מרכז הגירוסקופ נוטים להיות כבדים. הוא גם נוטה להסתובב במהירות יוצאת דופן - הג'ירוסקופים בטלסקופ האבל, למשל, מסתובבים במהירות של 19,200 סיבובים לדקה, או 320 בשנייה. על פני השטח נראה אבסורדי שמדענים יציידו מכשיר כה רגיש במרכיב חופשי (מילולית) חופשי בפזיזות באמצעו. במקום זאת, כמובן, זה אסטרטגי. מומנטום, בפיזיקה, הוא פשוט מהיר כפול מהירות. בהתאם, המומנטום הזוויתי הוא אִינֶרצִיָה (כמות המשלבת מסה, כפי שתראה בהמשך) כפול מהירות זוויתית. כתוצאה מכך, ככל שהגלגל מסתובב מהר יותר וככל שהאינרציה שלו גדולה יותר בדרך של מסה גדולה יותר, כך המומנטום הזוויתי גדול יותר. כתוצאה מכך, לגימבלים ולרכיבי הגירוסקופ החיצוניים יכולת להשתיק את ההשפעות של מומנט חיצוני לפני מומנט זה מגיע לרמות מספיקות כדי לשבש את כיוון הפיר פנימה מֶרחָב.

טלסקופ האבל המפורסם מכיל שישה גירוסקופים שונים לניווטו, ומדי פעם יש להחליפו. מהירות הסיבוב המדהימה של הרוטור שלו מרמזת כי מיסבי הכדור אינם מעשיים עד בלתי אפשריים עבור קליבר זה של גירוסקופ. במקום זאת, האבל עושה שימוש בג'ירוסקופים המכילים מיסבי גז, המציעים קרוב לחוויית סיבוב ללא חיכוך כמו שכל דבר שנבנה על ידי בני אדם יכול להתפאר בו.

אינרציה היא התנגדות לשינוי מהירות וכיוון, יהיו אשר יהיו. זו הגרסה הדיוטה של ​​ההכרזה הרשמית שהצהיר אייזק ניוטון לפני מאות שנים.

בשפה יומיומית, "אינרציה" מתייחסת בדרך כלל לחוסר רצון לנוע, כגון: "התכוונתי לכסח את הדשא, אך האינרציה החזיקה אותי מוצמדת לספה." זה יהיה עם זאת, מוזר לראות מישהו שהגיע זה עתה לסוף מרתון באורך של 26.2 מייל מסרב להפסיק בגלל השפעות האינרציה, למרות שמבחינה פיזיקלית השימוש במונח כאן יהיה מותר באותה מידה - אם הרץ ימשיך לרוץ באותו כיוון ובאותה המהירות, טכנית זה יהיה אינרציה בשעה עֲבוֹדָה. ואתה יכול לדמיין מצבים שבהם אנשים אומרים שהם לא הצליחו להפסיק לעשות משהו כתוצאה מאינרציה, כמו, "הייתי הולך עזוב את הקזינו, אך האינרציה המשיכה אותי לעבור משולחן לשולחן. "(במקרה זה," מומנטום "יכול להיות טוב יותר, אבל רק אם השחקן הוא לנצח!)

המשוואה למומנטום הזוויתי היא:

L = Iω

כאשר ל- L יש יחידות של ק"ג ⋅ מ '²/s. מכיוון שיחידות המהירות הזוויתית, ω, הן שניות הדדיות, או s-1, אני, האינרציה, יש יחידות של ק"ג ⋅ מ '². יחידת הכוח הסטנדרטית, הניוטון, מתפרקת לק"ג מ"ש². לפיכך אינרציה איננה כוח. זה לא מנע מהביטוי "כוח האינרציה" מלשון העם המרכזי, כמו שקורה עם דברים אחרים ש"הרגישים "כמו כוחות (לחץ הוא דוגמה טובה).

הערה צדדית: בעוד שמסה אינה כוח, משקל הוא כוח למרות ששני המונחים משמשים בערבוביה במסגרות היומיומיות. הסיבה לכך היא שמשקל הוא פונקציה של כוח המשיכה, ומכיוון שמעטים מהאנשים שעוזבים את כדור הארץ לאורך זמן, משקלם של עצמים בכדור הארץ הוא למעשה קבוע בדיוק כפי שהמונים שלהם קבועים ממש.

מד תאוצה, כשמו כן הוא, מודד תאוצה, אך רק תאוצה לינארית. משמעות הדבר היא שהתקנים אלה אינם שימושיים במיוחד ביישומי גירוסקופ תלת מימדיים רבים, אם כי כן שימושי במצבים בהם ניתן לקחת כיוון התנועה להתרחש בממד אחד בלבד (למשל, מעלית אופיינית).

מד תאוצה הוא סוג אחד של חיישן אינרציאלי. גירוסקופ הוא אחר, אלא שהג'ירו מודד תאוצה זוויתית. ולמרות שמחוץ לנושא זה, מגנומטר הוא סוג חיישן אינרציאלי מסוג שלישי, זה המשמש לשדות מגנטיים. מוצרי מציאות מדומה (VR) משלבים חיישני אינרציה אלה בשילוב כדי לייצר חוויות חזקות ומציאותיות יותר עבור המשתמשים.