Kāpēc tiek izmantoti žiroskopi?

Žiroskops, ko bieži sauc vienkārši par žiroskopu (nejaukt ar grieķu pārtikas iesaiņojumu), nesaņem daudz preses. Bet bez šī inženierijas brīnuma pasaule - un jo īpaši cilvēces citu pasaulju izpēte - būtu fundamentāli atšķirīga. Žiroskopi ir neaizstājami raķetrijā un aeronautikā, un kā bonuss vienkāršs žiroskops ir lieliska bērna rotaļlieta.

Žiroskops, kaut arī mašīna ar daudzām kustīgām daļām, faktiski ir sensors. Tās mērķis ir saglabāt vienmērīgu rotējošās daļas kustību žiroskopa centrā, ņemot vērā žiroskopa ārējās vides uzlikto spēku maiņu. Tie ir konstruēti tā, ka šīs ārējās nobīdes tiek līdzsvarotas ar žiroskopa daļu kustībām, kas vienmēr pretojas uzspiestajai nobīdei. Tas nav atšķirībā no tā, kā ar atsperēm piekrautas durvis vai peles slazds pretosies jūsu mēģinājumiem tās pavilkt vēl jo spēcīgāk, ja jūsu pašu pūliņi palielināsies. Žiroskops tomēr ir daudz sarežģītāks nekā atspere.

Ko nozīmē piedzīvot "ārēju spēku", tas ir, pakļauties jaunam spēkam, kad nekas jauns jums faktiski neskar? Apsveriet, kas notiek, atrodoties automašīnas sēdeklī, kas brauca taisnā līnijā ar nemainīgu ātrumu. Tā kā automašīna nepārsniedz ātrumu vai palēnina ātrumu, jūsu ķermenis nepiedzīvo lineāru paātrinājumu un, tā kā automašīna negriežas, jums nav leņķiskā paātrinājuma. Tā kā spēks ir masas un paātrinājuma rezultāts, šajos apstākļos jums nav pieredzes, pat ja pārvietojaties ar ātrumu 200 jūdzes stundā. Tas ir saskaņā ar Ņūtona pirmo kustības likumu, kas nosaka, ka objekts, kas atrodas miera stāvoklī, paliks mierā, ja vien to nedarīs ārējs spēks, kā arī objekts, kas pārvietojas nemainīgā ātrumā tajā pašā virzienā, turpinās savu precīzo ceļu, ja vien tas nav pakļauts ārējai spēks.

Kad automašīna pagriežas pa labi, ja vien jūs neveicat kādas fiziskas pūles, lai neitralizētu pēkšņi ieviešot leņķisko paātrinājumu braucienā ar automašīnu, jūs sagāzīsities pret vadītāju pa kreisi. Jūs esat pārcēlies no tā, ka jums nav tīra spēka, līdz spēkam, kas vērsts tieši no apļa centra, kuru automašīna ir tikko sākusi izsekot. Tā kā īsāki pagriezieni nodrošina lielāku leņķisko paātrinājumu ar noteiktu lineāro ātrumu, jūsu tieksme uz kreiso pusi ir izteiktāka, ja jūsu vadītājs veic strauju pagriezienu.

Jūsu pašu, sabiedrībā iesakņojusies prakse piemērot tikai pietiekami daudz pretnoliekamo pūļu, lai noturētu sevi tā pati pozīcija jūsu sēdeklī ir analoga tai, ko dara žiroskopi, kaut arī daudz sarežģītākā un efektīvākā veidā.

Žiroskopu formāli var izsekot 19. gadsimta vidū un franču fiziķim Leonam Fuko. Varbūt Fuko ir labāk pazīstams ar svārstu, kas uzņēma viņa vārdu un veica lielāko daļu sava darba optikā, taču viņš nāca klajā ar ierīci, kuru viņš mēdza izmantot demonstrēt Zemes griešanos, izdomājot veidu, kā faktiski novērst vai izolēt gravitācijas ietekmi uz zemes iekšējām daļām. ierīci. Tādējādi tas nozīmēja, ka jebkuras izmaiņas žiroskopa riteņa rotācijas asī laikā, kad tas griezās, bija jāpiešķir Zemes rotācijai. Tādējādi atklājās pirmais oficiālais žiroskopa lietojums.

Žiroskopa pamatprincipu var ilustrēt, atsevišķi izmantojot vērpjošu velosipēda riteni. Ja jūs turētu riteni abās pusēs aiz īsas ass, kas novietota caur riteņa vidusdaļu (piemēram, pildspalva), un kāds pagrieza riteni, kamēr jūs turējāt jūs ievērosiet, ka, mēģinot nolaist riteni uz vienu pusi, tas neietu šajā virzienā gandrīz tikpat viegli kā tad, ja tas negrieztos. Tas attiecas uz jebkuru jūsu izvēlētu virzienu un neatkarīgi no tā, cik pēkšņi kustība tiek ieviesta.

Varbūt visvieglāk ir aprakstīt žiroskopa daļas no iekšējām līdz visattālākajām. Pirmkārt, centrā ir rotējoša vārpsta vai disks (un, domājot par to, ģeometriski runājot, disks ir nekas cits kā ļoti īss, ļoti plats vārpsta). Šī ir vissmagākā vienošanās sastāvdaļa. Asis, kas iet caur diska centru, ar gandrīz bez berzes lodīšu gultņiem ir piestiprināts apļveida lokam, ko sauc par kardānu. Šeit stāsts kļūst dīvains un ļoti interesants. Šis kardāns pats ir piestiprināts ar līdzīgiem lodīšu gultņiem citam kardānam, kas ir tikai nedaudz platāks, lai iekšējais kardāns varētu vienkārši brīvi griezties ārējā kardāna robežās. Spīļu piestiprināšanas punkti viens otram atrodas pa līniju, kas ir perpendikulāra centrālā diska rotācijas asij. Visbeidzot, ārējais kardāns ir piestiprināts ar vēl gludāk slīdošiem lodīšu gultņiem pie trešā stīpa, kas kalpo kā žiroskopa rāmis.

(Jums vajadzētu iepazīties ar žiroskopa diagrammu vai noskatīties īsos videoklipus resursos, ja vēl neesat to izdarījis; pretējā gadījumā to visu ir gandrīz neiespējami vizualizēt!)

Žiroskopa funkcijas atslēga ir tāda, ka trīs savstarpēji savienoti, bet neatkarīgi griešanās kardāni ļauj kustēties trīs plaknēs jeb dimensijās. Ja kaut kas potenciāli varētu traucēt iekšējās vārpstas rotācijas asi, šis traucējums var vienlaicīgi pretoties visās trīs dimensijās, jo kardānvārpstas koordinēti "absorbē" spēku veidā. Būtībā notiek tas, ka abiem iekšējiem gredzeniem rotējot, reaģējot uz jebkādiem traucējumiem, kas ir žiroskopam to attiecīgās rotācijas asis atrodas plaknē, kas paliek perpendikulāra GS rotācijas asij vārpsta. Ja šī plakne nemainās, tad arī vārpstas virziens nemainās.

Griezes moments ir spēks, kas tiek piemērots ap rotācijas asi, nevis taisni. Tādējādi tam ir ietekme uz rotācijas kustību, nevis lineāro kustību. Standarta mērvienībās tas ir spēks reizināts ar "sviras sviru" (attālumu no reālā vai hipotētiskā rotācijas centra; domā "rādiuss"). Tāpēc tajā ir Nm vienības.

Tas, ko paveic žiroskops darbībā, ir visu pielietoto griezes momentu pārdale, lai tie neietekmētu centrālās vārpstas kustību. Šeit ir svarīgi atzīmēt, ka žiroskops nav paredzēts, lai kaut kas kustētos taisnā līnijā; tas ir domāts, lai kaut kas kustētos ar nemainīgu rotācijas ātrumu. Ja padomājat, droši vien varat iedomāties, ka kosmosa kuģi, kas dodas uz Mēnesi vai tālākiem galamērķiem, nedodas no punkta uz punktu; drīzāk viņi izmanto dažādu ķermeņu radīto gravitāciju un pārvietojas trajektorijās vai līkumos. Triks ir nodrošināt, ka šīs līknes parametri paliek nemainīgi.

Iepriekš tika atzīmēts, ka vārpsta vai disks, kas veido žiroskopa centru, mēdz būt smags. Tas mēdz griezties arī ar ārkārtēju ātrumu - piemēram, Habla teleskopa žiroskopi griežas ar 19 200 apgriezieniem minūtē vai 320 sekundē. Virspusē šķiet absurdi, ka zinātnieki aprīkotu tik jutīgu instrumentu, ka tā vidū iesūc neapdomīgi brīvriteņu (burtiski). Tā vietā, protams, tas ir stratēģiski. Moments fizikā ir vienkārši masa un ātrums. Attiecīgi leņķiskais impulss ir inerce (daudzums, kurā iekļauta masa, kā redzēsiet tālāk), reizināts ar leņķa ātrumu. Tā rezultātā, jo ātrāk ritenis griežas un jo lielāka tā inerce ir lielāka masa, jo leņķiskāks impulss ir vārpstai. Rezultātā kardānmehānismiem un ārējiem žiroskopa komponentiem ir liela spēja izslēgt efektus ārējā griezes momenta, pirms šis griezes moments sasniedz pietiekamu līmeni, lai izjauktu vārpstas orientāciju telpa.

Slavenajā Habla teleskopā navigācijai ir seši dažādi žiroskopi, un tie periodiski jāmaina. Pārsteidzošais rotora rotācijas ātrums nozīmē, ka lodīšu gultņi ir nepraktiski vai neiespējami šim kalibra žiroskopam. Tā vietā Habls izmanto žiroskopus, kas satur gāzes gultņus, kas piedāvā tikpat tuvu patiesi berzes rotācijas pieredzei, kā var lepoties viss, ko uzbūvējuši cilvēki.

Inerce ir pretestība ātruma un virziena maiņai, lai kādas tās būtu. Šī ir oficiālās deklarācijas neprofesionālā versija, kuru pirms gadsimtiem bija izklāstījis Īzaks Ņūtons.

Ikdienas valodā "inerce" parasti attiecas uz nevēlēšanos kustēties, piemēram: "Es gatavojos pļaut mauriņu, bet inerce turēja mani piespraustu pie dīvāna". Tas būtu tomēr ir dīvaini redzēt kādu, kurš tikko ir sasniedzis 26,2 jūdžu maratona beigas, inerces dēļ atsakās apstāties, kaut arī no fizikas viedokļa termina lietošana šeit būtu vienlīdz pieļaujama - ja skrējējs turpinātu skriet tajā pašā virzienā un ar tādu pašu ātrumu, tehniski tā būtu inerce pie darbs. Un jūs varat iedomāties situācijas, kurās cilvēki saka, ka viņiem neizdevās pārtraukt kaut ko darīt inerces rezultātā, piemēram, "Es gatavojos atstājiet kazino, bet inerce lika man iet no galda uz galdu. "(Šajā gadījumā" impulss "varētu būt labāks, bet tikai tad, ja spēlētājs ir uzvarot!)

Leņķiskā impulsa vienādojums ir:

L = Iω

Kur L ir kg ⋅ m vienības²/s. Tā kā leņķiskā ātruma vienības ω ir abpusējas sekundes vai s-1, man, inerces, ir vienības kg ⋅ m². Standarta spēka vienība ņūtons sadalās kg ⋅ m / s². Tādējādi inerce nav spēks. Tas nav aizkavējis frāzes "inerces spēks" iekļūšanu tautas valodā, kā tas notiek ar citām lietām, kas "jūtas" kā spēki (spiediens ir labs piemērs).

Blakuspiezīme: Lai gan masa nav spēks, svars ir spēks, neskatoties uz to, ka abi termini ikdienas apstākļos tiek aizstāti. Tas ir tāpēc, ka svars ir gravitācijas funkcija, un, tā kā maz cilvēku kādreiz atstāj Zemi uz ilgu laiku, uz Zemes esošo objektu svars faktiski ir nemainīgs, tāpat kā to masas ir burtiski nemainīgas.

Akselerometrs, kā norāda nosaukums, mēra paātrinājumu, bet tikai lineāro paātrinājumu. Tas nozīmē, ka šīs ierīces nav īpaši noderīgas daudzās trīsdimensiju žiroskopu lietojumprogrammās, lai gan tās ir ērts situācijās, kad var uzskatīt, ka kustības virziens notiek tikai vienā dimensijā (piemēram, tipisks lifts).

Akselerometrs ir viena veida inerciālais sensors. Žiroskops ir vēl viens, izņemot to, ka žiroskopu mēra leņķisko paātrinājumu. Lai arī magnetometrs ir ārpus šīs tēmas darbības jomas, tas ir trešais inerciālo sensoru veids, ko izmanto magnētiskajiem laukiem. Virtuālās realitātes (VR) produkti apvieno šos inerciālos sensorus, lai lietotājiem radītu stabilāku un reālāku pieredzi.