Hva brukes gyroskop til?

Gyroskopet, ofte bare kalt gyro (ikke forvekslet med det greske matpakket), får ikke mye press. Men uten dette vidunder av ingeniørarbeid, ville verden - og særlig menneskets utforskning av andre verdener - være fundamentalt annerledes. Gyroskop er uunnværlig innen rakett og luftfart, og som en bonus er et enkelt gyroskop et flott barneleke.

Et gyroskop, selv om det er en maskin med mange bevegelige deler, er faktisk en sensor. Hensikten er å holde bevegelsen til en roterende del i midten av gyroskopet jevn overfor forskyvninger i kreftene som påføres av gyroskopets ytre miljø. De er konstruert slik at disse eksterne skiftene motveies av bevegelser av gyroskopets deler som alltid motarbeider det pålagte skiftet. Dette er ikke ulikt måten en fjærbelastet dør eller musefelle vil motarbeide dine forsøk på å trekke den opp, desto kraftigere hvis din egen innsats øker. Et gyroskop er imidlertid mye mer intrikat enn en vår.

Hva betyr det å oppleve en "utenforstående kraft", det vil si å bli utsatt for en ny styrke når ingenting nytt faktisk berører deg? Tenk på hva som skjer når du sitter i passasjersetet til en bil som har kjørt i en rett linje med konstant hastighet. Fordi bilen ikke setter fart eller bremser, opplever kroppen din ingen lineær akselerasjon, og fordi bilen ikke svinger, opplever du ingen vinkelakselerasjon. Fordi kraft er et produkt av masse og akselerasjon, opplever du ingen nettokraft under disse forholdene, selv om du beveger deg med en hastighet på 200 miles i timen. Dette er i samsvar med Newtons første lov om bevegelse, som sier at et objekt i ro vil forbli i ro med mindre det blir handlet av en utenforstående kraft, og også at et objekt som beveger seg med konstant hastighet i samme retning vil fortsette langs sin nøyaktige bane med mindre det utsettes for en ekstern makt.

Når bilen svinger til høyre, med mindre du gjør noen fysisk innsats for å motvirke plutselig innføring av vinkelakselerasjon i bilturen din, vil du velte mot føreren til din venstre. Du har gått fra å oppleve ingen nettokraft til å oppleve en kraft som peker rett ut fra sentrum av sirkelen bilen akkurat har begynt å spore ut. Fordi kortere svinger resulterer i større vinkelakselerasjon ved en gitt lineær hastighet, er tendensen til å lene seg til venstre mer uttalt når sjåføren tar en skarp sving.

Din egen, sosialt inngrodd praksis med å bruke akkurat nok anti-lenende innsats for å holde deg i samme posisjon i setet ditt er analogt med hva gyroskop gjør, om enn i en langt mer kompleks - og effektiv - vei.

Gyroskopet kan formelt spores tilbake til midten av 1800-tallet og den franske fysikeren Leon Foucault. Foucault er kanskje bedre kjent for pendelen som tar navnet hans og gjorde det meste av sitt arbeid innen optikk, men han kom opp med en enhet som han pleide å demonstrere jordens rotasjon ved å finne ut en måte å faktisk eliminere eller isolere virkningene av tyngdekraften på de innerste delene av enhet. Dermed betydde at enhver endring i gyroskophjulets rotasjonsakse i løpet av den tiden det snurret måtte ha blitt gitt av jordens rotasjon. Dermed utfoldet den første formelle bruken av et gyroskop.

Grunnprinsippet til et gyroskop kan illustreres ved hjelp av et snurrende sykkelhjul isolert. Hvis du skulle holde hjulet på hver side ved en kort aksel plassert gjennom midten av hjulet (som en penn) og noen roterte hjulet mens du holdt det, vil du legge merke til at hvis du prøvde å vippe hjulet til den ene siden, ville det ikke gå i den retningen nesten like lett som det ville gjort hvis det ikke snurret. Dette gjelder enhver retning du velger, og uansett hvor plutselig bevegelsen blir introdusert.

Det er kanskje enklest å beskrive delene av et gyroskop fra det innerste til det ytterste. For det første er i midten en roterende aksel eller plate (og når du tenker på det, geometrisk sett, er en plate ikke mer enn en veldig kort, veldig bred aksel). Dette er den tyngste komponenten i arrangementet. Akselen som går gjennom midten av skiven er festet med nesten friksjonsfrie kulelagre til en sirkulær bøyle, kalt gimbal. Det er her historien blir rar og veldig interessant. Denne gimbalen er i seg selv festet av lignende kulelager til en annen gimbal som bare er litt bredere, slik at den indre gimbalen bare kan spinne fritt innenfor den ytre gimbalen. Festepunktene til gimbalene til hverandre er langs en linje vinkelrett på den sentrale skivens rotasjonsakse. Til slutt er den ytre gimbalen festet av enda mer glatt glidende kulelager til en tredje bøyle, denne fungerer som rammen til gyroskopet.

(Du bør se et diagram over et gyroskop eller se de korte videoene i ressursene hvis du ikke allerede har gjort det; Ellers er alt dette nesten umulig å visualisere!)

Nøkkelen til funksjonen til gyroskopet er at de tre sammenkoblede, men uavhengig spinnende kardanene tillater bevegelse i tre plan eller dimensjoner. Hvis noe potensielt kunne forstyrre rotasjonsaksen til den indre akselen, kan denne forstyrrelsen bli motstått samtidig i alle tre dimensjoner fordi kardanene "absorberer" kraften i en koordinert vei. Det som egentlig skjer, er at når de to indre ringene roterer som svar på den forstyrrelsen gyroskopet har opplevd, ligger deres respektive rotasjonsakser i et plan som holder seg vinkelrett på rotasjonsaksen til aksel. Hvis dette planet ikke endres, gjør heller ikke akselens retning.

Dreiemoment påføres kraft rundt en rotasjonsakse i stedet for rett på. Det har således effekter på rotasjonsbevegelse i stedet for lineær bevegelse. I standardenheter er det kraft ganger "spakarmen" (avstanden fra det virkelige eller hypotetiske rotasjonssenteret; tenk "radius"). Den har derfor enheter på N⋅m.

Hva et gyroskop i aksjon oppnår, er en omfordeling av eventuelle påførte dreiemomenter, slik at disse ikke påvirker bevegelsen til sentralakselen. Det er viktig å merke seg her at et gyroskop ikke er ment å holde noe i bevegelse i en rett linje; det er ment å holde noe i bevegelse med konstant rotasjonshastighet. Hvis du tenker på det, kan du sannsynligvis forestille deg at romfartøy som reiser til månen eller til fjernere destinasjoner ikke går punkt-til-punkt; heller, de bruker tyngdekraften som utøves av forskjellige kropper og reiser i baner eller kurver. Trikset er å sikre at parametrene til denne kurven forblir konstante.

Det ble bemerket ovenfor at akselen eller skiven som danner sentrum av gyroskopet, har en tendens til å være tung. Det har også en tendens til å snurre i ekstraordinære hastigheter - gyroskopene på Hubble-teleskopet, for eksempel, snurrer med 19.200 rotasjoner i minuttet, eller 320 per sekund. På overflaten virker det absurd at forskere vil utstyre et så følsomt instrument med å suge en hensynsløs frihjuling (bokstavelig talt) komponent midt i den. I stedet er dette selvfølgelig strategisk. Momentum, i fysikk, er rett og slett masse ganger hastighet. Tilsvarende er vinkelmoment treghet (en mengde som inkluderer masse, som du vil se nedenfor) ganger vinkelhastigheten. Som et resultat, jo raskere hjulet snurrer og jo større treghet ved større masse, desto mer vinkelmoment har akselen. Som et resultat har gimbals og utvendige gyroskopkomponenter høy kapasitet for å dempe effektene av det ytre dreiemomentet før dreiemomentet når nivåer som er tilstrekkelig til å forstyrre akselens orientering rom.

Det berømte Hubble-teleskopet inneholder seks forskjellige gyroskoper for navigering, og disse må med jevne mellomrom byttes ut. Den svimlende rotasjonshastigheten til rotoren innebærer at kulelager er upraktiske til umulige for dette kaliber av gyroskop. I stedet bruker Hubble gyroskop som inneholder gasslager, som tilbyr så nær en virkelig friksjonsfri rotasjonsopplevelse som alt bygget av mennesker kan skryte av.

Treghet er en motstand mot endring i hastighet og retning, uansett hva de er. Dette er legversjonen av den formelle erklæringen som ble fremlagt av Isaac Newton for århundrer siden.

I hverdagsspråket refererer "treghet" vanligvis til en motvilje mot å bevege seg, for eksempel "Jeg skulle klippe plenen, men treghet holdt meg festet til sofaen." Det vil bli rart, men å se noen som nettopp har nådd slutten av en 26,2 mil maraton nekter å stoppe på grunn av treghetseffektene, selv om det fra et fysikksynspunkt bruk av begrepet her ville være like tillatt - hvis løperen fortsatte å løpe i samme retning og i samme hastighet, teknisk sett ville det være treghet ved arbeid. Og du kan forestille deg situasjoner der folk sier at de ikke klarte å slutte å gjøre noe som følge av treghet, som "Jeg skulle forlate kasinoet, men treghet holdt meg gående fra bord til bord. "(I dette tilfellet kan" momentum "være bedre, men bare hvis spilleren er vinner!)

Ligningen for vinkelmoment er:

L = Iω

Der L har enheter på kg ⋅ m²/s. Siden enhetene med vinkelhastighet, ω, er gjensidige sekunder, eller s-1, har I, tregheten, enheter på kg ⋅ m². Standard kraftenhet, Newton, brytes ned i kg ⋅ m / s². Dermed er treghet ikke en kraft. Dette har ikke holdt uttrykket "treghetskraft" i å komme inn i det vanlige folkespråket, slik det skjer med andre ting som "føles" som krefter (trykk er et godt eksempel).

Sideanmerkning: Mens masse ikke er en kraft, er vekt en kraft til tross for at de to begrepene brukes om hverandre i hverdagsinnstillinger. Dette er fordi vekt er en funksjon av tyngdekraften, og siden få mennesker noen gang forlater jorden for lenge, er vektene til objekter på jorden effektivt konstant akkurat som massene deres er bokstavelig talt konstante.

Et akselerometer, som navnet antyder, måler akselerasjon, men bare lineær akselerasjon. Dette betyr at disse enhetene ikke er spesielt nyttige i mange tredimensjonale gyroskopapplikasjoner, selv om de er det praktisk i situasjoner der bevegelsesretningen bare kan forekomme i en dimensjon (f.eks. en typisk heis).

Et akselerometer er en type treghetssensor. Et gyroskop er et annet, bortsett fra at gyroen måler vinkelakselerasjon. Og selv om det utenfor dette emnet er et magnetometer, er det en tredje type treghetssensor, denne brukes til magnetfelt. Virtual reality-produkter (VR) inneholder disse treghetssensorene i kombinasjon for å gi mer robuste og realistiske opplevelser for brukerne.