Waar worden gyroscopen voor gebruikt?

De gyroscoop, vaak simpelweg een gyro genoemd (niet te verwarren met de Griekse voedselverpakking), krijgt niet veel pers. Maar zonder dit wonder van techniek zou de wereld - en met name de verkenning van andere werelden door de mensheid - fundamenteel anders zijn. Gyroscopen zijn onmisbaar in raketten en luchtvaart, en als bonus is een eenvoudige gyroscoop een geweldig kinderspeelgoed.

Een gyroscoop, hoewel een machine met veel bewegende delen, is eigenlijk een sensor. Het doel is om de beweging van een roterend onderdeel in het midden van de gyroscoop stabiel te houden in het licht van verschuivingen in de krachten die worden opgelegd door de externe omgeving van de gyroscoop. Ze zijn zo geconstrueerd dat deze externe verschuivingen worden gecompenseerd door bewegingen van de onderdelen van de gyroscoop die zich altijd verzetten tegen de opgelegde verschuiving. Dit is niet anders dan de manier waarop een veerbelaste deur of muizenval zich zal verzetten tegen uw pogingen om hem open te trekken, des te krachtiger als uw eigen inspanningen toenemen. Een gyroscoop is echter veel ingewikkelder dan een veer.

Wat betekent het om een ​​'kracht van buitenaf' te ervaren, dat wil zeggen, onderworpen te zijn aan een nieuwe kracht terwijl niets nieuws je echt raakt? Bedenk wat er gebeurt als u op de passagiersstoel zit van een auto die met constante snelheid in een rechte lijn heeft gereden. Omdat de auto niet versnelt of vertraagt, ervaart je lichaam geen lineaire versnelling, en omdat de auto niet draait, ervaar je geen hoekversnelling. Omdat kracht het product is van massa en versnelling, ervaar je onder deze omstandigheden geen netto kracht, zelfs niet als je met een snelheid van 200 mijl per uur beweegt. Dit is in overeenstemming met de eerste bewegingswet van Newton, die stelt dat een object in rust in rust zal blijven tenzij er door een externe kracht, en ook dat een object dat met constante snelheid in dezelfde richting beweegt, zijn exacte pad zal blijven volgen tenzij het wordt onderworpen aan een externe dwingen.

Wanneer de auto echter een bocht naar rechts maakt, tenzij u enige fysieke inspanning levert om de plotselinge introductie van hoekversnelling in uw autorit, u zult naar de bestuurder toe kantelen om uw links. Je bent overgegaan van het ervaren van geen nettokracht naar het ervaren van een kracht die recht uit het midden van de cirkel wijst die de auto net begint te traceren. Omdat kortere bochten resulteren in een grotere hoekversnelling bij een bepaalde lineaire snelheid, is uw neiging om naar links te leunen meer uitgesproken wanneer uw bestuurder een scherpe bocht maakt.

Je eigen, sociaal ingesleten gewoonte om net genoeg anti-leunend gedrag toe te passen om jezelf in de te houden dezelfde positie in uw stoel is analoog aan wat gyroscopen doen, zij het in een veel complexere – en effectieve – manier.

De gyroscoop is formeel terug te voeren tot het midden van de 19e eeuw en de Franse natuurkundige Leon Foucault. Foucault is misschien beter bekend om de slinger die zijn naam ontleent en het grootste deel van zijn werk in de optica deed, maar hij bedacht een apparaat waarmee hij de rotatie van de aarde demonstreren door een manier te bedenken om de effecten van de zwaartekracht op de binnenste delen van de aarde in feite op te heffen of te isoleren apparaat. Dit betekende dus dat elke verandering in de rotatie-as van het gyroscoopwiel gedurende de tijd dat het ronddraaide, veroorzaakt moest zijn door de rotatie van de aarde. Zo ontvouwde zich het eerste formele gebruik van een gyroscoop.

Het basisprincipe van een gyroscoop kan worden geïllustreerd aan de hand van een draaiend fietswiel afzonderlijk. Als je het wiel aan elke kant zou vasthouden door een korte as die door het midden van het wiel is geplaatst (zoals een pen) en iemand zou het wiel draaien terwijl je je zou merken dat als je het wiel naar één kant zou proberen te kantelen, het niet zo gemakkelijk in die richting zou gaan als wanneer het niet zou draaien. Dit geldt voor elke richting naar keuze en hoe plotseling de beweging ook wordt geïntroduceerd.

Het is misschien het gemakkelijkst om de onderdelen van een gyroscoop van binnen naar buiten te beschrijven. Ten eerste is in het midden een roterende as of schijf (en als je erover nadenkt, geometrisch gesproken, is een schijf niets meer dan een zeer korte, zeer brede as). Dit is het zwaarste onderdeel van het arrangement. De as die door het midden van de schijf loopt, is door bijna wrijvingsloze kogellagers bevestigd aan een cirkelvormige hoepel, een cardanische ophanging. Dit is waar het verhaal vreemd en zeer interessant wordt. Deze gimbal is zelf door soortgelijke kogellagers bevestigd aan een andere gimbal die net iets breder is, zodat de binnenste gimbal gewoon vrij kan draaien binnen de grenzen van de buitenste gimbal. De bevestigingspunten van de cardanische ophangingen aan elkaar zijn langs een lijn loodrecht op de rotatie-as van de centrale schijf. Ten slotte is de buitenste gimbal bevestigd door nog meer soepel glijdende kogellagers aan een derde hoepel, deze dient als het frame van de gyroscoop.

(Je moet een diagram van een gyroscoop raadplegen of de korte video's in de bronnen bekijken als je dat nog niet hebt gedaan; anders is dit alles bijna niet te visualiseren!)

De sleutel tot de functie van de gyroscoop is dat de drie onderling verbonden maar onafhankelijk draaiende cardanische ophangingen beweging in drie vlakken of dimensies mogelijk maken. Als iets de rotatie-as van de binnenas mogelijk zou verstoren, kan deze verstoring: tegelijkertijd worden weerstaan ​​in alle drie de dimensies omdat de cardanische ophangingen de kracht in een gecoördineerde "absorberen" manier. Wat er in wezen gebeurt, is dat als de twee binnenste ringen roteren als reactie op de verstoring die de gyroscoop heeft ervaren, liggen hun respectieve rotatie-assen in een vlak dat loodrecht blijft op de rotatie-as van de schacht. Als dit vlak niet verandert, verandert de richting van de as ook niet.

Koppel is kracht die wordt uitgeoefend om een ​​rotatie-as in plaats van rechtdoor. Het heeft dus effecten op rotatiebeweging in plaats van lineaire beweging. In standaardeenheden is het kracht maal de "hefboomarm" (de afstand tot het werkelijke of hypothetische rotatiecentrum; denk aan "straal"). Het heeft daarom eenheden van N⋅m.

Wat een gyroscoop in actie bereikt, is een herverdeling van eventuele toegepaste koppels, zodat deze de beweging van de centrale as niet beïnvloeden. Het is van vitaal belang om hier op te merken dat een gyroscoop niet bedoeld is om iets in een rechte lijn in beweging te houden; het is bedoeld om iets in beweging te houden met constante rotatiesnelheid. Als je erover nadenkt, kun je je waarschijnlijk voorstellen dat ruimtevaartuigen die naar de maan of naar verder gelegen bestemmingen reizen niet van punt naar punt gaan; in plaats daarvan maken ze gebruik van de zwaartekracht die wordt uitgeoefend door verschillende lichamen en reizen in banen of bochten. De kunst is om ervoor te zorgen dat de parameters van deze curve constant blijven.

Hierboven werd opgemerkt dat de schacht of schijf die het midden van de gyroscoop vormt, de neiging heeft zwaar te zijn. Het heeft ook de neiging om met buitengewone snelheden te draaien - de gyroscopen op de Hubble-telescoop draaien bijvoorbeeld met 19.200 rotaties per minuut of 320 per seconde. Op het eerste gezicht lijkt het absurd dat wetenschappers zo'n gevoelig instrument zouden uitrusten met een roekeloos vrijlopende (letterlijk) component in het midden ervan. In plaats daarvan is dit natuurlijk strategisch. Momentum is in de natuurkunde gewoon massa maal snelheid. Dienovereenkomstig is impulsmoment momentum traagheid (een hoeveelheid waarin massa is verwerkt, zoals je hieronder zult zien) maal de hoeksnelheid. Dientengevolge, hoe sneller het wiel draait en hoe groter zijn traagheid door middel van grotere massa, hoe meer impulsmoment de as bezit. Als gevolg hiervan hebben de cardanische ophanging en externe gyroscoopcomponenten een hoge capaciteit om de effecten te dempen van uitwendig koppel voordat dat koppel een niveau bereikt dat voldoende is om de oriëntatie van de as in disrupt ruimte.

De beroemde Hubble-telescoop bevat zes verschillende gyroscopen voor de navigatie, en deze moeten periodiek worden vervangen. De duizelingwekkende rotatiesnelheid van de rotor impliceert dat kogellagers onpraktisch tot onmogelijk zijn voor dit kaliber van gyroscoop. In plaats daarvan maakt de Hubble gebruik van gyroscopen die gaslagers bevatten, die zo dicht bij een echt wrijvingsloze rotatie-ervaring bieden als alles wat door mensen is gebouwd, kan bogen.

Traagheid is een weerstand tegen verandering in snelheid en richting, wat ze ook zijn. Dit is de lekenversie van de formele verklaring die Isaac Newton eeuwen geleden heeft opgesteld.

In de alledaagse taal verwijst 'traagheid' meestal naar een onwil om te bewegen, zoals: 'Ik wilde het gazon maaien, maar traagheid hield me vast aan de bank.' Het zou zijn vreemd echter om te zien dat iemand die net het einde van een marathon van 26,2-mijl heeft bereikt, weigert te stoppen vanwege de effecten van traagheid, hoewel vanuit een natuurkundig oogpunt het gebruik van de term hier zou even toegestaan ​​zijn - als de loper in dezelfde richting en met dezelfde snelheid zou blijven rennen, zou dat technisch gezien traagheid zijn bij werk. En je kunt je situaties voorstellen waarin mensen zeggen dat ze niet zijn gestopt met iets te doen als gevolg van traagheid, zoals: "Ik wilde het casino verlaten, maar traagheid hield me van tafel naar tafel." (In dit geval is "momentum" misschien beter, maar alleen als de speler winnen!)

De vergelijking voor impulsmoment is:

L = Iω

Waar L eenheden heeft van kg ⋅ m²/s. Aangezien de eenheden van hoeksnelheid, ω, reciproke seconden zijn, of s-1, heeft I, de traagheid, eenheden van kg ⋅ m². De standaardeenheid van kracht, de newton, valt uiteen in kg ⋅ m/s². Dus traagheid is geen kracht. Dit heeft de uitdrukking "traagheidskracht" er niet van weerhouden om de reguliere volkstaal te betreden, zoals gebeurt met andere dingen die "voelen" als krachten (druk is een goed voorbeeld).

Kanttekening: hoewel massa geen kracht is, is gewicht een kracht, ondanks dat de twee termen in alledaagse situaties door elkaar worden gebruikt. Dit komt omdat gewicht een functie is van de zwaartekracht, en aangezien maar weinig mensen de aarde ooit lang verlaten, zijn de gewichten van objecten op aarde in feite constant, net zoals hun massa letterlijk constant is.

Een accelerometer, zoals de naam al aangeeft, meet versnelling, maar alleen lineaire versnelling. Dit betekent dat deze apparaten niet bijzonder nuttig zijn in veel driedimensionale gyroscooptoepassingen, hoewel ze dat wel zijn handig in situaties waarin de bewegingsrichting slechts in één dimensie kan plaatsvinden (bijvoorbeeld een typische lift).

Een versnellingsmeter is een type traagheidssensor. Een gyroscoop is een andere, behalve dat de gyro hoekversnelling meet. En hoewel buiten de reikwijdte van dit onderwerp, is een magnetometer een derde soort traagheidssensor, deze wordt gebruikt voor magnetische velden. Virtual reality (VR)-producten bevatten deze traagheidssensoren in combinatie om robuustere en realistischere ervaringen voor gebruikers te produceren.