Do czego służą żyroskopy?

Żyroskop, często nazywany po prostu żyroskopem (nie mylić z greckim opakowaniem na żywność), nie cieszy się zbyt dużą popularnością. Ale bez tego cudu inżynierii świat – a zwłaszcza eksploracja innych światów przez ludzkość – byłby fundamentalnie inny. Żyroskopy są niezastąpione w rakietach i lotnictwie, a jako dodatek prosty żyroskop jest świetną zabawką dla dziecka.

Żyroskop, choć maszyna z dużą ilością ruchomych części, jest w rzeczywistości czujnikiem. Jego celem jest utrzymanie stałego ruchu obracającej się części w środku żyroskopu w obliczu zmian sił wywieranych przez zewnętrzne środowisko żyroskopu. Są one tak skonstruowane, że te zewnętrzne przesunięcia są równoważone przez ruchy części żyroskopu, które zawsze przeciwstawiają się narzuconemu przesunięciu. Nie różni się to od sposobu, w jaki sprężynowe drzwi lub pułapka na myszy będą przeciwstawiać się twoim próbom ich otwarcia, tym bardziej energicznie, jeśli twoje własne wysiłki wzrosną. Żyroskop jest jednak znacznie bardziej skomplikowany niż sprężyna.

Co to znaczy doświadczać „zewnętrznej siły”, to znaczy być poddanym nowej sile, kiedy nic nowego tak naprawdę cię nie dotyka? Zastanów się, co się dzieje, gdy siedzisz na miejscu pasażera samochodu, który jechał po linii prostej ze stałą prędkością. Ponieważ samochód nie przyspiesza ani nie zwalnia, Twoje ciało nie doświadcza przyspieszenia liniowego, a ponieważ samochód nie skręca, nie odczuwasz przyspieszenia kątowego. Ponieważ siła jest iloczynem masy i przyspieszenia, w takich warunkach nie odczuwasz żadnej siły wypadkowej, nawet jeśli poruszasz się z prędkością 200 mil na godzinę. Jest to zgodne z pierwszą zasadą dynamiki Newtona, która mówi, że obiekt w spoczynku pozostaje w spoczynku, chyba że zadziała na niego z zewnątrz. siły, a także, że obiekt poruszający się ze stałą prędkością w tym samym kierunku będzie kontynuował swoją dokładną ścieżkę, chyba że zostanie poddany działaniu zewnętrznego siła.

Jednak gdy samochód skręca w prawo, chyba że podejmiesz wysiłek fizyczny, aby temu przeciwdziałać nagłe wprowadzenie przyspieszenia kątowego do jazdy samochodem, przewrócisz się w kierunku kierowcy do swojego to lewo. Przeszedłeś od doświadczenia braku siły netto do doświadczenia siły skierowanej prosto ze środka okręgu, który samochód właśnie zaczął śledzić. Ponieważ krótsze zakręty powodują większe przyspieszenie kątowe przy danej prędkości liniowej, skłonność do pochylania się w lewo jest bardziej wyraźna, gdy kierowca wykonuje ostry zakręt.

Twoja własna, społecznie zakorzeniona praktyka stosowania wystarczającej ilości wysiłku przeciwdziałającego pochylaniu się, aby utrzymać się w ta sama pozycja na siedzeniu jest analogiczna do tego, co robią żyroskopy, aczkolwiek w znacznie bardziej złożonym – i skutecznym – droga.

Żyroskop można formalnie prześledzić do połowy XIX wieku i francuskiego fizyka Leona Foucaulta. Foucault jest prawdopodobnie bardziej znany z wahadła, które bierze jego imię i wykonał większość swojej pracy w dziedzinie optyki, ale wymyślił urządzenie, które kiedyś zademonstrować ruch obrotowy Ziemi, wymyślając sposób na zniesienie lub odizolowanie wpływu grawitacji na najbardziej wewnętrzne części Ziemi. urządzenie. Oznaczało to zatem, że jakakolwiek zmiana osi obrotu koła żyroskopu w czasie jego wirowania musiała być nadana przez obrót Ziemi. Tak rozwinęło się pierwsze formalne użycie żyroskopu.

Podstawową zasadę żyroskopu można zilustrować za pomocą oddzielnego obracającego się koła rowerowego. Gdybyś miał trzymać koło z każdej strony za krótką ośkę umieszczoną przez środek koła (jak długopis), a ktoś obracał koło, gdy trzymałeś Zauważyłbyś, że gdybyś spróbował przechylić koło na jedną stronę, nie poszłoby ono w tym kierunku tak łatwo, jak gdyby się nie obracało. Odnosi się to do dowolnego kierunku, który wybierzesz i bez względu na to, jak nagle zostanie wprowadzony ruch.

Prawdopodobnie najłatwiej jest opisać części żyroskopu od najgłębszego do zewnętrznego. Po pierwsze, w centrum znajduje się obracający się wał lub dysk (a kiedy się nad tym zastanowić, mówiąc geometrycznie, dysk to nic innego jak bardzo krótki, bardzo szeroki wał). To najcięższy element aranżacji. Oś przechodząca przez środek dysku jest przymocowana za pomocą łożysk kulkowych o niemal braku tarcia do okrągłej obręczy, zwanej gimbalem. W tym miejscu historia staje się dziwna i bardzo interesująca. Ten gimbal jest sam przymocowany podobnymi łożyskami kulkowymi do innego gimbala, który jest tylko odrobinę szerszy, dzięki czemu wewnętrzny gimbal może po prostu swobodnie się obracać w obrębie zewnętrznego gimbala. Punkty mocowania gimbali do siebie znajdują się wzdłuż linii prostopadłej do osi obrotu dysku centralnego. Wreszcie, zewnętrzny gimbal jest przymocowany przez jeszcze bardziej gładko ślizgające się łożyska kulkowe do trzeciej obręczy, która służy jako rama żyroskopu.

(Powinieneś zapoznać się ze schematem żyroskopu lub obejrzeć krótkie filmy w zasobach, jeśli jeszcze tego nie zrobiłeś; w przeciwnym razie wszystko to jest prawie niemożliwe do zobrazowania!)

Kluczem do funkcjonowania żyroskopu jest to, że trzy połączone, ale niezależnie obracające się gimbale pozwalają na ruch w trzech płaszczyznach lub wymiarach. Jeśli coś miałoby potencjalnie zakłócić oś obrotu wału wewnętrznego, to zakłócenie może: być jednocześnie opór we wszystkich trzech wymiarach, ponieważ gimbale „absorbują” siłę w skoordynowanym droga. Zasadniczo dzieje się tak, że gdy dwa wewnętrzne pierścienie obracają się w odpowiedzi na jakiekolwiek zakłócenia żyroskopuoscope doświadczeni, ich odpowiednie osie obrotu leżą w płaszczyźnie, która pozostaje prostopadła do osi obrotu wał. Jeśli ta płaszczyzna się nie zmienia, to nie zmienia się również kierunek wału.

Moment obrotowy jest siłą przyłożoną wokół osi obrotu, a nie prosto. Ma zatem wpływ na ruch obrotowy, a nie ruch liniowy. W standardowych jednostkach jest to siła razy „ramię dźwigni” (odległość od rzeczywistego lub hipotetycznego środka obrotu; pomyśl "promień"). W związku z tym ma jednostki N⋅m.

To, co osiąga żyroskop w akcji, to redystrybucja wszelkich przyłożonych momentów obrotowych, tak aby nie wpływały one na ruch centralnego wału. Należy tutaj zauważyć, że żyroskop nie jest przeznaczony do utrzymywania czegoś w ruchu w linii prostej; ma na celu utrzymanie czegoś w ruchu ze stałą prędkością obrotową. Jeśli się nad tym zastanowisz, prawdopodobnie możesz sobie wyobrazić, że statki kosmiczne podróżujące na Księżyc lub do bardziej odległych miejsc nie lecą z punktu do punktu; raczej wykorzystują grawitację wywieraną przez różne ciała i poruszają się po trajektoriach lub krzywych. Sztuką jest zapewnienie, że parametry tej krzywej pozostaną stałe.

Zauważono powyżej, że wał lub dysk tworzący środek żyroskopu ma tendencję do bycia ciężkim. Ma również tendencję do wirowania z niezwykłą prędkością – na przykład żyroskopy na Teleskopie Hubble'a obracają się z prędkością 19 200 obrotów na minutę lub 320 na sekundę. Na pozór wydaje się absurdalne, że naukowcy wyposażyli tak czuły instrument w lekkomyślnie wirujący (dosłownie) element w jego środku. Zamiast tego jest to oczywiście strategiczne. Pęd w fizyce to po prostu masa razy prędkość. Odpowiednio moment pędu jest bezwładność (wielkość obejmująca masę, jak zobaczysz poniżej) razy prędkość kątowa. W rezultacie im szybciej koło się kręci i im większa jest jego bezwładność poprzez większą masę, tym większy moment pędu ma wał. W rezultacie gimbale i zewnętrzne elementy żyroskopu mają dużą zdolność wyciszania efektów zewnętrznego momentu obrotowego, zanim ten moment osiągnie poziom wystarczający do zakłócenia orientacji wału w przestrzeń.

Słynny Teleskop Hubble'a zawiera sześć różnych żyroskopów do nawigacji, które okresowo należy wymieniać. Niesamowita prędkość obrotowa wirnika oznacza, że ​​łożyska kulkowe są niepraktyczne lub niemożliwe dla tego kalibru żyroskopu. Zamiast tego Hubble wykorzystuje żyroskopy zawierające łożyska gazowe, które oferują tak bliskie naprawdę beztarciowe wrażenia obrotowe, jak może się pochwalić wszystko, co zbudowane przez ludzi.

Bezwładność to opór przed zmianą prędkości i kierunku, czymkolwiek one są. Jest to laicka wersja formalnej deklaracji przedstawionej wieki temu przez Izaaka Newtona.

W języku potocznym „bezwładność” zwykle odnosi się do niechęci do poruszania się, np. „Chciałem skosić trawnik, ale bezwładność trzymała mnie przyszpilonego do kanapy”. To byłby dziwne jednak, że ktoś, kto właśnie dotarł do końca 26,2-milowego maratonu, odmawia zatrzymania się ze względu na efekt bezwładności, nawet jeśli z punktu widzenia fizyki użycie tego terminu byłoby równie dopuszczalne – gdyby biegacz kontynuował bieg w tym samym kierunku i z tą samą prędkością, technicznie byłaby to bezwładność przy praca. I możesz sobie wyobrazić sytuacje, w których ludzie mówią, że nie przestali robić czegoś w wyniku bezwładności, na przykład: „Chciałem opuścić kasyno, ale bezwładność nie pozwalała mi chodzić od stołu do stołu. (W tym przypadku „rozpęd” może być lepszy, ale tylko wtedy, gdy gracz jest zwycięski!)

Równanie na moment pędu to:

L = Iω

Gdzie L ma jednostki kg ⋅ m²/s. Ponieważ jednostkami prędkości kątowej, ω, są odwrotności sekund, czyli s-1, I, bezwładność ma jednostki kg ⋅ m². Standardowa jednostka siły, niuton, dzieli się na kg ⋅ m/s². Zatem bezwładność nie jest siłą. To nie powstrzymało wyrażenia „siła bezwładności” przed wejściem do głównego nurtu języka, jak to się dzieje z innymi rzeczami, które „czuje się” jak siły (nacisk jest dobrym przykładem).

Uwaga dodatkowa: podczas gdy masa nie jest siłą, waga jest siłą, mimo że te dwa terminy są używane zamiennie w codziennych ustawieniach. Dzieje się tak dlatego, że waga jest funkcją grawitacji, a ponieważ niewielu ludzi opuszcza Ziemię na długo, ciężary obiektów na Ziemi są praktycznie stałe, tak jak ich masy są dosłownie stałe.

Akcelerometr, jak sama nazwa wskazuje, mierzy przyspieszenie, ale tylko przyspieszenie liniowe. Oznacza to, że urządzenia te nie są szczególnie przydatne w wielu trójwymiarowych zastosowaniach żyroskopowych, chociaż są przydatne w sytuacjach, w których kierunek ruchu można przyjąć tylko w jednym wymiarze (np. typowa winda).

Akcelerometr to jeden z rodzajów czujnika bezwładnościowego. Żyroskop to inna, ale żyroskop mierzy przyspieszenie kątowe. I choć poza zakresem tego tematu, magnetometr jest trzecim rodzajem czujnika bezwładnościowego, używanym do wykrywania pól magnetycznych. Produkty rzeczywistości wirtualnej (VR) zawierają te czujniki bezwładnościowe w połączeniu, aby zapewnić użytkownikom bardziej niezawodne i realistyczne wrażenia.