ジャイロスコープは何に使用されますか？

ジャイロスコープは、単にジャイロと呼ばれることが多く（ギリシャのフードラップと混同しないでください）、あまり報道されません。 しかし、このエンジニアリングの驚異がなければ、世界、特に人類による他の世界の探検は根本的に異なります。 ジャイロスコープはロケットや航空学に欠かせないものであり、おまけとして、シンプルなジャイロスコープは素晴らしい子供のおもちゃになります。

ジャイロスコープは、可動部品がたくさんある機械ですが、実際にはセンサーです。 その目的は、ジャイロスコープの外部環境によって加えられる力の変化に直面しても、ジャイロスコープの中心にある回転部分の動きを安定させることです。 これらは、これらの外部シフトが、課せられたシフトに常に対抗するジャイロスコープのパーツの動きによって相殺されるように構成されています。 これは、バネ仕掛けのドアやネズミ捕りがドアを開けようとする試みに反対する方法と同じです。自分の努力が増えると、さらに力強くなります。 ただし、ジャイロスコープはばねよりもはるかに複雑です。

「外の力」を経験すること、つまり、新しいものが実際にあなたに触れていないときに新しい力を受けることはどういう意味ですか？ 一定速度で直進している車の助手席にいるとどうなるか考えてみてください。 車が加速も減速もしていないため、体は直線加速度を経験せず、車が回転していないため、角加速度も発生しません。 力は質量と加速度の積であるため、時速200マイルの速度で移動している場合でも、これらの条件下では正味の力は発生しません。 これは、ニュートンの最初の運動の法則に従っており、静止しているオブジェクトは、外部からの作用がない限り静止したままであると述べています。 力、および同じ方向に一定の速度で移動するオブジェクトは、外部にさらされない限り、その正確なパスに沿って継続します 力。

ただし、車が右に曲がるときは、物理的な努力をしない限り、 あなたの車の乗り物に角加速度が突然導入されると、あなたはあなたのドライバーに向かって倒れます 左。 あなたは、正味の力を経験していない状態から、車がトレースし始めたばかりの円の中心からまっすぐに指している力を経験している状態になりました。 ターンが短いと、特定の線速度で角加速度が大きくなるため、ドライバーが急にターンすると、左に傾く傾向がより顕著になります。

自分自身を維持するのに十分な反学習努力を適用するというあなた自身の社会的に根付いた実践 座席の同じ位置は、はるかに複雑で効果的ですが、ジャイロスコープの動作に似ています。 仕方。

ジャイロスコープは、19世紀半ばとフランスの物理学者レオンフーコーに正式にさかのぼることができます。 フーコーはおそらく彼の名前をとって光学で彼の仕事のほとんどをした振り子でよりよく知られています、しかし彼は彼が以前使っていた装置を思いつきました 地球の最も内側の部分への重力の影響を事実上相殺または分離する方法を考え出すことによって、地球の自転を示します。 端末。 したがって、ジャイロスコープホイールが回転している間の回転軸の変化は、地球の自転によって与えられなければならなかったことを意味しました。 このようにして、ジャイロスコープの最初の正式な使用法が明らかになりました。

ジャイロスコープの基本原理は、回転する自転車の車輪を単独で使用して説明できます。 ホイールの中央に配置された短い車軸（ペンのように）で両側のホイールを保持し、保持中に誰かがホイールを回転させた場合 ホイールを片側に傾けようとすると、回転していない場合ほど簡単にはその方向に進まないことに気付くでしょう。 これはあなたが選んだどの方向にも当てはまり、どんなに突然動きが導入されても。

ジャイロスコープのパーツを最も内側から最も外側に説明するのがおそらく最も簡単です。 まず、中央には回転するシャフトまたはディスクがあります（幾何学的に言えば、ディスクは非常に短く、非常に幅の広いシャフトにすぎません）。 これは、配置の最も重いコンポーネントです。 ディスクの中心を通過する車軸は、ほぼ摩擦のないボールベアリングによってジンバルと呼ばれる円形のフープに取り付けられています。 これは物語が奇妙で非常に興味深いものになるところです。 このジンバル自体は、同様のボールベアリングによって、わずかに幅の広い別のジンバルに取り付けられているため、内側のジンバルは外側のジンバルの範囲内で自由に回転できます。 ジンバルの相互の取り付け点は、中央ディスクの回転軸に垂直な線に沿っています。 最後に、外側のジンバルは、さらに滑らかに滑るボールベアリングによって、ジャイロスコープのフレームとして機能する3番目のフープに取り付けられています。

（まだ行っていない場合は、ジャイロスコープの図を参照するか、リソースの短いビデオを見る必要があります。 そうでなければ、これをすべて視覚化することはほとんど不可能です！）

ジャイロスコープの機能の鍵は、相互接続されているが独立して回転する3つのジンバルが、3つの平面または次元での動きを可能にすることです。 何かが内部シャフトの回転軸を乱す可能性がある場合、この摂動は ジンバルが協調して力を「吸収」するため、3次元すべてで同時に抵抗されます 仕方。 本質的に起こることは、ジャイロスコープが持つあらゆる外乱に応答して2つの内輪が回転することです。 経験豊富な、それぞれの回転軸は、の回転軸に垂直にとどまる平面内にあります 軸。 この平面が変わらなければ、シャフトの方向も変わりません。

トルクは、真っ直ぐではなく、回転軸の周りに加えられる力です。 したがって、線形運動ではなく回転運動に影響を及ぼします。 標準の単位では、力に「レバーアーム」（実際の回転中心または仮想の回転中心からの距離）を掛けたものです。 「半径」と考えてください）。 したがって、単位はN・mです。

動作中のジャイロスコープが達成するのは、加えられたトルクの再配分であり、これらが中央シャフトの動きに影響を与えないようにします。 ここで、ジャイロスコープは何かを直線的に動かし続けることを目的としていないことに注意することが重要です。 それは何かを動かし続けることを意味します 一定の回転速度で. あなたがそれについて考えるならば、あなたはおそらく月またはより遠い目的地に移動する宇宙船がポイントツーポイントで行かないことを想像することができます。 むしろ、それらは異なる物体によって及ぼされる重力を利用し、軌道または曲線で移動します。 秘訣は、この曲線のパラメータが一定に保たれるようにすることです。

ジャイロスコープの中心を形成するシャフトまたはディスクは重い傾向があることを上記で指摘しました。 また、異常な速度で回転する傾向があります。たとえば、ハッブル望遠鏡のジャイロスコープは、毎分19,200回転、つまり毎秒320回転で回転します。 表面的には、科学者がそのような敏感な機器に、その真ん中に無謀に自由奔放な（文字通りの）コンポーネントを吸うように装備するのはばかげているようです。 代わりに、もちろん、これは戦略的です。 物理学における運動量は、単に質量と速度の積です。 それに対応して、角運動量は 慣性 （以下に示すように、質量を組み込んだ量）に角速度を掛けたもの。 その結果、ホイールの回転速度が速くなり、質量が大きくなることで慣性が大きくなるほど、シャフトが持つ角運動量が大きくなります。 その結果、ジンバルと外部ジャイロスコープコンポーネントは、エフェクトをミュートするための高い容量を備えています。 そのトルクがシャフトの方向を乱すのに十分なレベルに達する前の外部トルクの スペース。

有名なハッブル望遠鏡には、ナビゲーション用に6つの異なるジャイロスコープが含まれており、これらは定期的に交換する必要があります。 そのローターの驚異的な回転速度は、ボールベアリングがこのジャイロスコープの口径では実用的でないか不可能であることを意味します。 代わりに、ハッブルはガスベアリングを含むジャイロスコープを利用します。ジャイロスコープは、人間が自慢できるものと同じくらい真に摩擦のない回転体験を提供します。

慣性は、速度と方向の変化に対する抵抗です。 これは、何世紀も前にアイザックニュートンによって示された正式な宣言の一般版です。

日常の言葉では、「慣性」とは通常、「芝生を刈るつもりだったが、慣性によってソファに固定された」など、動きたがらないことを指します。 それはそのようになります しかし、26.2マイルのマラソンの終わりに達したばかりの人が、物理学の観点からは、慣性の影響のために停止を拒否するのを見るのは奇妙です。 ここでの用語の使用も同様に許容されます。ランナーが同じ方向に同じ速度で走り続けた場合、技術的には慣性になります。 作業。 そして、慣性の結果として何かをやめられなかったと人々が言う状況を想像することができます。 カジノを離れますが、慣性によってテーブルからテーブルへと移動し続けました。」（この場合、「勢い」の方が良いかもしれませんが、プレーヤーが 勝ちました！）

角運動量の方程式は次のとおりです。

L =Iω

ここで、Lの単位はkg・mです。²/s. 角速度の単位ωは秒の逆数、つまりs-1であるため、慣性であるIの単位はkg・mです。². 標準の力の単位であるニュートンは、kg・m / sに分解されます。². したがって、慣性は力ではありません。 これは、力のように「感じる」他のもので起こるように、「慣性の力」というフレーズが主流の言葉に入るのを妨げませんでした（圧力が良い例です）。

補足：質量は力ではありませんが、日常の設定で2つの用語が同じ意味で使用されているにもかかわらず、重量は力です。 これは、重量が重力の関数であり、地球を長く離れる人はほとんどいないため、地球上の物体の重量は、質量が文字通り一定であるのと同じように、事実上一定であるためです。

加速度計は、その名前が示すように、加速度を測定しますが、線形加速度のみを測定します。 つまり、これらのデバイスは、多くの3次元ジャイロスコープアプリケーションでは特に有用ではありませんが、 運動の方向が一次元でのみ発生するように取ることができる状況（例えば、典型的なエレベータ）で便利です。

加速度計は慣性センサーの一種です。 ジャイロスコープは、ジャイロが角加速度を測定することを除いて、別のものです。 そして、このトピックの範囲外ですが、磁力計は第3の種類の慣性センサーであり、これは磁場に使用されます。 バーチャルリアリティ（VR）製品は、これらの慣性センサーを組み合わせて組み込んで、ユーザーにより堅牢で現実的な体験を提供します。