Giroscopul, adesea numit pur și simplu giroscop (nu trebuie confundat cu învelișul alimentar grecesc), nu primește prea multă presă. Dar fără această minune a ingineriei, lumea - și mai ales explorarea omenirii de către alte lumi - ar fi fundamental diferită. Giroscopurile sunt indispensabile în rachetă și aeronautică, iar ca bonus, un giroscop simplu face o jucărie excelentă pentru copii.
Un giroscop, deși este o mașină cu numeroase părți mobile, este de fapt un senzor. Scopul său este să mențină constantă mișcarea unei părți rotative în centrul giroscopului în fața schimbărilor forțelor impuse de mediul extern al giroscopului. Ele sunt construite astfel încât aceste schimbări externe să fie contrabalansate de mișcările părților giroscopului care se opun întotdeauna schimbării impuse. Acest lucru nu este diferit de felul în care o ușă cu arc sau capcana pentru șoareci se va opune încercărilor dvs. de a o deschide, cu atât mai puternic dacă propriile eforturi cresc. Cu toate acestea, un giroscop este mult mai complicat decât un arc.
De ce te apleci spre stânga când o mașină virează la dreapta?
Ce înseamnă să experimentezi o „forță exterioară”, adică să fii supus unei noi forțe atunci când nimic nou nu te atinge de fapt? Luați în considerare ce se întâmplă atunci când vă aflați pe scaunul pasagerului unei mașini care a călătorit în linie dreaptă cu o viteză constantă. Deoarece mașina nu accelerează sau încetinește, corpul tău nu are nicio accelerație liniară și, deoarece mașina nu se învârte, nu experimentezi nicio accelerație unghiulară. Deoarece forța este produsul masei și al accelerației, nu experimentați nicio forță netă în aceste condiții, chiar dacă vă deplasați cu o viteză de 200 mile pe oră. Acest lucru este în conformitate cu prima lege a mișcării lui Newton, care afirmă că un obiect în repaus va rămâne în repaus dacă nu este acționat de către un exterior și, de asemenea, că un obiect care se mișcă la viteză constantă în aceeași direcție va continua de-a lungul traseului său exact, cu excepția cazului în care este supus unui exterior forta.
Cu toate acestea, atunci când mașina face o cotitură spre dreapta, cu excepția cazului în care depuneți eforturi fizice pentru a contracara introducerea bruscă a accelerației unghiulare în mașina dvs., veți răsturna către șofer spre dumneavoastră stânga. Ați trecut de la a nu experimenta nicio forță netă la a experimenta o forță îndreptată direct din centrul cercului pe care mașina tocmai a început să o identifice. Deoarece virajele mai scurte au ca rezultat o accelerație unghiulară mai mare la o viteză liniară dată, tendința dvs. de a vă înclina spre stânga este mai pronunțată atunci când șoferul face o viraj brusc.
Propria ta practică, înrădăcinată social, de a aplica doar suficient efort anti-înclinare pentru a te menține în aceeași poziție pe scaunul dvs. este similară cu ceea ce fac giroscopii, deși într-un mediu mult mai complex - și mai eficient - cale.
Originea giroscopului
Giroscopul poate fi urmărit în mod formal de la mijlocul secolului al XIX-lea și de fizicianul francez Leon Foucault. Foucault este probabil mai bine cunoscut pentru pendulul care îi ia numele și și-a făcut cea mai mare parte a muncii în domeniul opticii, dar a venit cu un dispozitiv pe care îl obișnuia să demonstreze rotația Pământului găsind o modalitate de a anula sau de a izola efectele gravitației asupra părților cele mai interioare ale dispozitiv. Astfel, orice schimbare a axei de rotație a roții giroscopului în timpul în care se învârtea trebuia să fie transmisă de rotația Pământului. Astfel s-a desfășurat prima utilizare formală a unui giroscop.
Ce sunt giroscopele?
Principiul de bază al unui giroscop poate fi ilustrat folosind o roată de bicicletă rotitoare izolată. Dacă ar fi să țineți roata de fiecare parte de o axă scurtă plasată prin mijlocul roții (ca un stilou) și cineva ar roti roata în timp ce ați ținut veți observa că, dacă ați încerca să înclinați roata într-o parte, nu ar merge în direcția aceea aproape la fel de ușor ca și dacă nu s-ar roti. Acest lucru este valabil pentru orice direcție pe care o alegeți și indiferent cât de brusc este introdusă mișcarea.
Este probabil cel mai ușor să descrie părțile unui giroscop de la interior la exterior. În primul rând, în centru este un arbore sau un disc rotativ (și când te gândești la asta, din punct de vedere geometric, un disc nu este altceva decât un arbore foarte scurt, foarte lat). Aceasta este cea mai grea componentă a amenajării. Axa care trece prin centrul discului este atașată de rulmenți cu bile aproape fără frecare la un cerc circular, numit cardan. Aici povestea devine ciudată și extrem de interesantă. Acest cardan este el însuși atașat de rulmenți cu bile similare unui alt cardan, care este doar puțin mai lățit, astfel încât cardanul interior poate să se rotească liber în limitele cardanului exterior. Punctele de atașare ale cardanelor între ele sunt de-a lungul unei linii perpendiculare pe axa de rotație a discului central. În cele din urmă, cardanul exterior este atașat de rulmenți cu bile cu alunecare mai netedă la un al treilea cerc, acesta servind drept cadru al giroscopului.
(Ar trebui să consultați o diagramă a unui giroscop sau să urmăriți scurtele videoclipuri din Resurse, dacă nu ați făcut-o deja; în caz contrar, toate acestea sunt aproape imposibil de vizualizat!)
Cheia funcției giroscopului este că cele trei cardanice interconectate, dar care se rotesc independent, permit mișcarea în trei planuri sau dimensiuni. Dacă ceva ar perturba potențial axa de rotație a arborelui interior, această perturbare poate să fie rezistate simultan în toate cele trei dimensiuni, deoarece cardanele „absorb” forța într-o coordonată cale. Ceea ce se întâmplă în esență este că pe măsură ce cele două inele interioare se rotesc ca răspuns la orice perturbare pe care o are giroscopul experimentate, axele lor de rotație respective se află într-un plan care rămâne perpendicular pe axa de rotație a arbore. Dacă acest plan nu se schimbă, atunci nici direcția arborelui nu se schimbă.
Fizica giroscopului
Cuplul este forța aplicată în jurul unei axe de rotație, mai degrabă decât dreaptă. Astfel are efecte asupra mișcării de rotație, mai degrabă decât asupra mișcării liniare. În unitățile standard, este forța ori de „brațul pârghiei” (distanța de la centrul de rotație real sau ipotetic; gândiți-vă la „rază”). Prin urmare, are unități de N⋅m.
Ceea ce realizează un giroscop în acțiune este redistribuirea oricăror cupluri aplicate, astfel încât acestea să nu afecteze mișcarea arborelui central. Este vital să menționăm aici că un giroscop nu este destinat să mențină ceva în mișcare în linie dreaptă; este menit să mențină ceva în mișcare cu viteza de rotație constantă. Dacă vă gândiți la asta, vă puteți imagina probabil că nava spațială care călătorește spre Lună sau către destinații mai îndepărtate nu merge punct la punct; mai degrabă, ei folosesc gravitația exercitată de diferite corpuri și se deplasează în traiectorii sau curbe. Trucul este să ne asigurăm că parametrii acestei curbe rămân constanți.
S-a observat mai sus că arborele sau discul care formează centrul giroscopului tinde să fie greu. De asemenea, tinde să se rotească la viteze extraordinare - giroscopele de pe telescopul Hubble, de exemplu, se rotesc cu 19.200 rotații pe minut, sau 320 pe secundă. La suprafață, pare absurd faptul că oamenii de știință ar echipa un instrument atât de sensibil cu o suptă o componentă cu imprudență de roată liberă (literalmente) în mijlocul acestuia. În schimb, desigur, acest lucru este strategic. Momentul, în fizică, este pur și simplu viteza masei. În mod corespunzător, impulsul unghiular este inerţie (o cantitate care încorporează masă, așa cum veți vedea mai jos) ori viteza unghiulară. Prin urmare, cu cât roata se învârte mai repede și cu cât este mai mare inerția acesteia prin intermediul unei mase mai mari, cu atât arborele are un impuls unghiular mai mare. Drept urmare, cardanele și componentele giroscopului exterior au o capacitate mare de a reduce efectele de cuplu extern înainte ca acest cuplu să atingă niveluri suficiente pentru a perturba orientarea arborelui în spaţiu.
Un exemplu de giroscop de elită: telescopul Hubble
Celebrul telescop Hubble conține șase giroscopuri diferite pentru navigația sa, iar acestea trebuie înlocuite periodic. Viteza de rotație uluitoare a rotorului său implică faptul că rulmenții cu bile sunt impracticabili până la imposibil pentru acest calibru de giroscop. În schimb, Hubble folosește giroscopii care conțin lagăre de gaz, care oferă o experiență de rotație cu adevărat fără fricțiuni, pe cât se poate lăuda orice construit de oameni.
De ce prima lege a lui Newton este numită uneori „Legea inerției”
Inerția este o rezistență la schimbarea vitezei și a direcției, oricare ar fi acestea. Aceasta este versiunea laică a declarației formale prezentată de Isaac Newton cu secole în urmă.
În limbajul de zi cu zi, „inerția” se referă de obicei la o reticență în a se mișca, cum ar fi „Aveam de gând să tund gazonul, dar inerția m-a ținut fixat pe canapea”. Ar fi ciudat, totuși, să vezi pe cineva care tocmai a ajuns la sfârșitul unui maraton de 26,2 mile refuzând să se oprească din cauza efectelor de inerție, chiar dacă din punct de vedere fizic utilizarea termenului de aici ar fi la fel de permisă - dacă alergătorul ar continua să alerge în aceeași direcție și cu aceeași viteză, din punct de vedere tehnic ar fi inerție la muncă. Și vă puteți imagina situații în care oamenii spun că nu au reușit să înceteze să facă ceva ca urmare a inerției, cum ar fi „am fost să părăsiți cazinoul, dar inerția m-a ținut să merg de la masă la masă. "(În acest caz,„ impulsul ”ar putea fi mai bun, dar numai dacă jucătorul este câștigător!)
Inerția este o forță?
Ecuația pentru impuls unghiular este:
L = Iω
Unde L are unități de kg ⋅ m2/s. Deoarece unitățile de viteză unghiulară, ω, sunt secunde reciproce, sau s-1, I, inerția, are unități de kg ⋅ m2. Unitatea standard de forță, newtonul, se descompune în kg ⋅ m / s2. Astfel, inerția nu este o forță. Acest lucru nu a împiedicat fraza „forță de inerție” să intre în limba populară de masă, așa cum se întâmplă cu alte lucruri care „se simt” ca niște forțe (presiunea fiind un bun exemplu).
Notă laterală: Deși masa nu este o forță, greutatea este o forță, în ciuda faptului că cei doi termeni sunt folosiți în mod alternativ în setările de zi cu zi. Acest lucru se datorează faptului că greutatea este o funcție a gravitației și, din moment ce puțini oameni părăsesc Pământul pentru mult timp, greutățile obiectelor de pe Pământ sunt efectiv constante la fel cum masele lor sunt literalmente constante.
Ce măsoară un accelerometru?
Un accelerometru, după cum sugerează și numele, măsoară accelerația, dar numai accelerația liniară. Aceasta înseamnă că aceste dispozitive nu sunt deosebit de utile în multe aplicații giroscopice tridimensionale, deși sunt la îndemână în situații în care direcția de mișcare poate fi considerată a avea loc doar într-o singură dimensiune (de exemplu, un lift tipic).
Un accelerometru este un tip de senzor inerțial. Un giroscop este un altul, cu excepția faptului că giroscopul măsoară accelerația unghiulară. Și, deși nu se încadrează în acest subiect, magnetometrul este un al treilea tip de senzor inerțial, acesta este utilizat pentru câmpurile magnetice. Produsele de realitate virtuală (VR) încorporează acești senzori inerțiali în combinație pentru a produce experiențe mai robuste și mai realiste pentru utilizatori.
