종종 단순히 자이로라고 불리는 자이로 스코프 (그리스 음식 포장지와 혼동하지 말 것)는 많은 언론을 얻지 못합니다. 그러나이 놀라운 공학이 없다면 세계, 특히 다른 세계에 대한 인류의 탐험은 근본적으로 다를 것입니다. 자이로 스코프는 로켓 및 항공학에 없어서는 안될 필수 요소이며, 보너스로 간단한 자이로 스코프는 훌륭한 어린이 장난감을 만듭니다.
자이로 스코프는 움직이는 부품이 많은 기계이지만 실제로는 센서입니다. 그 목적은 자이로 스코프의 외부 환경에 의해 가해지는 힘의 변화에도 불구하고 자이로 스코프 중앙에있는 회전 부품의 움직임을 일정하게 유지하는 것입니다. 이러한 외부 이동이 항상 부과 된 이동에 반대하는 자이로 스코프 부품의 이동에 의해 균형을 이루도록 구성됩니다. 이것은 스프링이 달린 문이나 쥐덫이 문을 당기려는 시도에 반대하는 방식과 다르지 않습니다. 그러나 자이로 스코프는 스프링보다 훨씬 더 복잡합니다.
자동차가 우회전 할 때 왜 당신은 왼쪽으로 기울입니까?
새로운 것이 실제로 당신에게 닿지 않을 때 새로운 힘을 받는다는 "외부 힘"을 경험한다는 것은 무엇을 의미합니까? 일정한 속도로 직선으로 주행하는 자동차의 조수석에있을 때 어떤 일이 발생하는지 고려하십시오. 자동차가 속도를 높이거나 낮추지 않기 때문에 신체는 선형 가속을 경험하지 않으며 자동차가 회전하지 않기 때문에 각 가속을 경험하지 않습니다. 힘은 질량과 가속도의 곱이기 때문에 시속 200 마일의 속도로 움직이더라도 이러한 조건에서는 순 힘을 경험하지 못합니다. 이것은 뉴턴의 첫 번째 운동 법칙에 따른 것으로, 정지 된 물체는 외부의 조치를받지 않는 한 정지 상태로 유지됩니다. 또한 같은 방향으로 일정한 속도로 움직이는 물체는 외부의 영향을받지 않는 한 정확한 경로를 따라 계속됩니다. 힘.
그러나 차가 오른쪽으로 돌 때 갑작스런 각가속도가 차를 타면 운전자쪽으로 넘어지게됩니다. 왼쪽. 당신은 순 힘을 경험하지 않고 자동차가 방금 추적하기 시작한 원의 중심에서 곧바로 가리키는 힘을 경험했습니다. 짧은 회전은 주어진 선형 속도에서 더 큰 각 가속도를 가져 오기 때문에 운전자가 급회전을 할 때 왼쪽으로 기울어지는 경향이 더 두드러집니다.
자신을 사회적으로 뿌리 내린 실천으로 좌석에서의 동일한 위치는 훨씬 더 복잡하고 효과적이지만 자이로 스코프가 수행하는 작업과 유사합니다. 방법.
자이로 스코프의 기원
자이로 스코프는 공식적으로 19 세기 중반과 프랑스의 물리학 자 Leon Foucault로 거슬러 올라갑니다. 푸코는 아마도 그의 이름을 딴 진자로 더 잘 알려져 있고 광학 분야에서 대부분의 작업을 수행했지만 그는 이전에 사용하던 장치를 생각해 냈습니다. 실제로 중력이 지구의 가장 안쪽 부분에 미치는 영향을 상쇄 또는 분리하는 방법을 알아 냄으로써 지구의 자전을 보여줍니다. 장치. 따라서 회전하는 동안 자이로 스코프 바퀴의 회전축의 변화는 지구 회전에 의해 전달되어야한다는 것을 의미합니다. 따라서 자이로 스코프의 첫 번째 공식적인 사용이 전개되었습니다.
자이로 스코프 란?
자이로 스코프의 기본 원리는 회전하는 자전거 바퀴를 분리하여 사용하여 설명 할 수 있습니다. (펜처럼) 바퀴의 중앙을 통해 배치 된 짧은 축으로 양쪽에 바퀴를 잡았을 때 누군가가 바퀴를 잡고있는 동안 바퀴를 돌렸다면 바퀴를 한쪽으로 기울이려고하면 회전하지 않을 때만 큼 쉽게 그 방향으로 이동하지 않는다는 것을 알 수 있습니다. 이것은 당신이 선택한 방향과 무브먼트가 갑자기 도입 되더라도 유지됩니다.
가장 안쪽에서 바깥쪽으로 자이로 스코프의 부분을 설명하는 것이 가장 쉽습니다. 첫째, 중심에는 회전하는 샤프트 또는 디스크가 있습니다 (기하학적으로 생각할 때 디스크는 매우 짧고 매우 넓은 샤프트에 지나지 않습니다). 이것은 배열의 가장 무거운 구성 요소입니다. 디스크 중앙을 통과하는 축은 마찰이 거의없는 볼 베어링에 의해 짐벌이라고하는 원형 후프에 부착됩니다. 이것은 이야기가 이상하고 매우 흥미로워지는 곳입니다. 이 짐벌 자체는 유사한 볼 베어링에 의해 약간 더 넓은 다른 짐 벌에 부착되어있어 내부 짐 벌이 외부 짐벌의 경계 내에서 자유롭게 회전 할 수 있습니다. 짐벌을 서로 부착하는 지점은 중앙 디스크의 회전축에 수직 인 선을 따라 있습니다. 마지막으로 외부 짐벌은보다 부드러운 글라이딩 볼 베어링으로 세 번째 후프에 부착되며, 이 고리는 자이로 스코프의 프레임 역할을합니다.
(아직 보지 않았다면 자이로 스코프 다이어그램을 참조하거나 리소스에서 짧은 비디오를 시청해야합니다. 그렇지 않으면이 모든 것을 시각화하는 것이 거의 불가능합니다!)
자이로 스코프 기능의 핵심은 서로 연결되어 있지만 독립적으로 회전하는 3 개의 짐 벌이 3 개의 평면 또는 차원에서 움직임을 허용한다는 것입니다. 무언가가 내부 샤프트의 회전축을 잠재적으로 섭동한다면, 이 섭동은 짐 벌이 조정 된 힘을 "흡수"하기 때문에 3 차원 모두에서 동시에 저항 할 수 있습니다. 방법. 본질적으로 발생하는 것은 자이로 스코프의 방해에 반응하여 두 개의 내부 링이 회전 할 때 경험, 각각의 회전 축은 회전 축에 수직으로 유지되는 평면 내에 있습니다. 샤프트. 이 평면이 변경되지 않으면 샤프트의 방향도 변경되지 않습니다.
자이로 스코프의 물리학
토크는 직선이 아닌 회전축에 적용되는 힘입니다. 따라서 선형 운동보다는 회전 운동에 영향을 미칩니다. 표준 단위에서 힘 곱하기 "레버 암"(실제 또는 가상의 회전 중심으로부터의 거리; "반경"을 생각하십시오). 따라서 단위는 N⋅m입니다.
작동중인 자이로 스코프가 달성하는 것은 적용된 토크를 재분배하여 중앙 샤프트의 움직임에 영향을주지 않도록하는 것입니다. 여기서 자이로 스코프는 무언가를 직선으로 계속 움직이게하는 것이 아닙니다. 계속 움직이는 것을 의미합니다. 일정한 회전 속도로. 생각해 보면 달이나 더 먼 목적지로 이동하는 우주선이 일대일로 가지 않는다는 것을 상상할 수있을 것입니다. 오히려 그들은 다른 신체에 의해 가해지는 중력을 이용하고 궤적 또는 곡선으로 이동합니다. 트릭은이 곡선의 매개 변수가 일정하게 유지되도록하는 것입니다.
위에서는 자이로 스코프의 중심을 이루는 샤프트 나 디스크가 무거워지는 경향이 있다는 점에 주목했습니다. 그것은 또한 놀라운 속도로 회전하는 경향이 있습니다. 예를 들어 허블 망원경의 자이로 스코프는 분당 19,200 회 또는 초당 320 회 회전합니다. 표면적으로 과학자들이 그러한 민감한 도구에 무모하게 자유 분방 한 (문자 그대로) 부품을 빨아들이는 장비를 장착하는 것은 어리석은 것처럼 보입니다. 물론 이것은 전략적입니다. 물리학에서 운동량은 단순히 질량 곱하기 속도입니다. 따라서 각운동량은 관성 (아래에서 볼 수 있듯이 질량을 포함하는 양) 각속도를 곱합니다. 결과적으로 바퀴가 더 빨리 회전하고 더 큰 질량을 통해 관성이 커질수록 샤프트가 더 많은 각운동량을 갖습니다. 결과적으로 짐벌 및 외부 자이로 스코프 구성 요소는 효과를 음소거 할 수있는 높은 용량을 갖습니다. 토크가 샤프트의 방향을 방해하기에 충분한 수준에 도달하기 전에 우주.
엘리트 자이로 스코프의 예: 허블 망원경
유명한 허블 망원경에는 탐색을위한 6 개의 서로 다른 자이로 스코프가 포함되어 있으며 주기적으로 교체해야합니다. 로터의 엄청난 회전 속도는 볼 베어링이이 자이로 스코프 구경에 비현실적이거나 불가능하다는 것을 의미합니다. 대신, 허블은 가스 베어링이 포함 된 자이로 스코프를 사용하여 인간이 만든 모든 것이 자랑 할 수있는 것과 같은 진정한 마찰없는 회전 경험을 제공합니다.
뉴턴의 제 1 법칙이 때때로 "관성의 법칙"이라고 불리는 이유
관성은 속도와 방향의 변화에 대한 저항입니다. 이것은 수세기 전에 Isaac Newton이 제시 한 공식 선언의 평신도 버전입니다.
일상적인 언어에서 "관성"은 일반적으로 "나는 잔디를 깎으려고했지만 관성이 나를 소파에 고정시켰다"와 같이 움직이기를 꺼리는 것을 말합니다. 그것은 그러나 26.2 마일의 마라톤을 막 끝낸 사람이 물리학 적 관점에서하더라도 관성의 영향으로 인해 중지를 거부하는 것을 보는 것은 이상합니다. 여기서이 용어의 사용은 동일하게 허용됩니다. 주자가 같은 방향과 같은 속도로 계속 달리면 기술적으로는 관성입니다. 작업. 그리고 사람들이 관성의 결과로 무언가를 중단하지 못했다고 말하는 상황을 상상할 수 있습니다. "나는 카지노를 떠나지 만 관성은 나를 테이블에서 테이블로 이동하게했습니다. "(이 경우"모멘텀 "이 더 좋을 수도 있지만 플레이어가 승리!)
관성은 힘인가?
각운동량의 방정식은 다음과 같습니다.
L = Iω
L의 단위는 kg ⋅ m입니다.2/s. 각속도 단위 ω는 역수 초 또는 s-1이므로 관성 I은 kg ⋅ m 단위입니다.2. 힘의 표준 단위 인 뉴턴은 kg ⋅ m / s로 나뉩니다.2. 따라서 관성은 힘이 아닙니다. 이것은 힘처럼 "느껴지는"다른 것들에서 발생하는 것처럼 "관성의 힘"이라는 문구가 주류 언어로 들어가는 것을 막지 못했습니다 (압력이 좋은 예입니다).
참고: 질량은 힘이 아니지만, 일상적인 설정에서 두 용어를 서로 바꿔서 사용할 수 있음에도 불구하고 무게는 힘입니다. 무게는 중력의 함수이기 때문에 지구를 오랫동안 떠나는 사람이 거의 없기 때문에 지구상의 물체의 무게는 질량이 문자 그대로 일정한 것처럼 사실상 일정합니다.
가속도계는 무엇을 측정합니까?
이름에서 알 수 있듯이 가속도계는 가속도를 측정하지만 선형 가속도 만 측정합니다. 이는 이러한 장치가 많은 3 차원 자이로 스코프 응용 분야에서 특히 유용하지는 않지만 모션 방향이 한 차원에서만 발생하도록 취할 수있는 상황에서 편리합니다 (예: 일반 엘리베이터).
가속도계는 관성 센서의 한 유형입니다. 자이로 스코프는 자이로가 각 가속도를 측정한다는 점을 제외하고는 또 다른 것입니다. 그리고이 주제의 범위를 벗어나지 만 자 기계는 세 번째 종류의 관성 센서로 자기장에 사용됩니다. 가상 현실 (VR) 제품은 이러한 관성 센서를 결합하여 사용자에게보다 강력하고 현실적인 경험을 제공합니다.
