Гироскоп, который часто называют просто гироскопом (не путать с греческой пищевой пленкой), не особо популярен. Но без этого чуда инженерной мысли мир - и особенно исследование других миров человечеством - был бы в корне другим. Гироскопы незаменимы в ракетной технике и воздухоплавании, а в качестве бонуса из простого гироскопа можно сделать отличную детскую игрушку.
Гироскоп, хотя и машина с множеством движущихся частей, на самом деле является датчиком. Его цель - поддерживать устойчивое движение вращающейся части в центре гироскопа перед лицом сдвигов сил, накладываемых внешней средой гироскопа. Они построены так, что эти внешние смещения уравновешиваются движениями частей гироскопа, которые всегда противодействуют наложенному смещению. Это мало чем отличается от того, как подпружиненная дверь или мышеловка будет противостоять вашим попыткам открыть ее, тем более, что ваши собственные усилия возрастут. Однако гироскоп намного сложнее пружины.
Почему вы наклоняетесь влево, когда автомобиль поворачивает направо?
Что значит испытать «внешнюю силу», то есть подвергнуться воздействию новой силы, когда на самом деле ничего нового вас не касается? Подумайте, что происходит, когда вы сидите на пассажирском сиденье автомобиля, который движется по прямой с постоянной скоростью. Поскольку автомобиль не ускоряется и не замедляется, ваше тело не испытывает линейного ускорения, а поскольку автомобиль не вращается, вы не испытываете углового ускорения. Поскольку сила является продуктом массы и ускорения, в этих условиях вы не ощущаете чистой силы, даже если вы движетесь со скоростью 200 миль в час. Это соответствует первому закону движения Ньютона, который гласит, что покоящийся объект будет оставаться в покое, если только на него не воздействует посторонний объект. силы, а также то, что объект, движущийся с постоянной скоростью в том же направлении, будет продолжать свой точный путь, если не подвергнется внешнему воздействию сила.
Однако, когда автомобиль поворачивает направо, если вы не приложите физических усилий, чтобы противодействовать внезапное введение углового ускорения в вашу поездку на автомобиле, вы перевернетесь навстречу водителю. оставил. Вы перешли от отсутствия чистой силы к ощущению силы, указывающей прямо из центра круга, по которому машина только начала двигаться. Поскольку более короткие повороты приводят к большему угловому ускорению при заданной линейной скорости, ваша тенденция к наклону влево более выражена, когда ваш водитель делает крутой поворот.
Ваша собственная социально укоренившаяся практика применения достаточных усилий против наклона, чтобы оставаться в такое же положение в вашем кресле аналогично тому, что делают гироскопы, хотя и в гораздо более сложном - и эффективном - способ.
Происхождение гироскопа
Гироскоп официально восходит к середине 19 века французского физика Леона Фуко. Фуко, возможно, более известен благодаря маятнику, получившему его имя, и большую часть своей работы он сделал в области оптики, но он придумал устройство, которое он использовал для продемонстрировать вращение Земли, выяснив способ, по сути, нейтрализовать или изолировать влияние гравитации на самые внутренние части Земли. устройство. Это означало, что любое изменение оси вращения колеса гироскопа во время его вращения должно было быть вызвано вращением Земли. Так произошло первое формальное использование гироскопа.
Что такое гироскопы?
Основной принцип гироскопа можно проиллюстрировать на изолированном вращающемся велосипедном колесе. Если бы вы держали колесо с каждой стороны за короткую ось, расположенную посередине колеса (например, ручку), и кто-то вращал колесо, пока вы держали Вы бы заметили, что если бы вы попытались наклонить колесо в одну сторону, оно не пошло бы в этом направлении почти так же легко, как если бы оно не вращалось. Это справедливо для любого направления по вашему выбору и независимо от того, как внезапно начнется движение.
Возможно, проще всего описать части гироскопа от самых внутренних до самых внешних. Во-первых, в центре находится вращающийся вал или диск (и если подумать, геометрически говоря, диск - это не что иное, как очень короткий и очень широкий вал). Это самая тяжелая составляющая аранжировки. Ось, проходящая через центр диска, прикреплена шарикоподшипниками практически без трения к кольцевому кольцу, называемому карданным подвесом. Здесь история становится странной и очень интересной. Этот подвес сам по себе прикреплен аналогичными шариковыми подшипниками к другому подвесу, который немного шире, так что внутренний кардан может просто свободно вращаться в пределах внешнего кардана. Точки крепления карданов друг к другу расположены по линии, перпендикулярной оси вращения центрального диска. Наконец, внешний стабилизатор прикреплен к третьему кольцу, которое служит рамой гироскопа, с помощью еще большего количества шарикоподшипников с плавным скольжением.
(Вам следует ознакомиться со схемой гироскопа или посмотреть короткие видеоролики в Ресурсах, если вы еще этого не сделали; в противном случае визуализировать все это практически невозможно!)
Ключ к функции гироскопа заключается в том, что три взаимосвязанных, но независимо вращающихся кардана позволяют перемещаться в трех плоскостях или измерениях. Если что-то может потенциально нарушить ось вращения внутреннего вала, это возмущение может сопротивляться одновременно во всех трех измерениях, потому что подвесы "поглощают" силу согласованно способ. По сути, происходит то, что два внутренних кольца вращаются в ответ на любое возмущение гироскопа. их соответствующие оси вращения лежат в плоскости, которая остается перпендикулярной оси вращения вал. Если эта плоскость не меняется, то и направление вала не меняется.
Физика гироскопа
Крутящий момент - это сила, приложенная вокруг оси вращения, а не прямо. Таким образом, он влияет на вращательное движение, а не на линейное движение. В стандартных единицах измерения это сила, умноженная на «плечо рычага» (расстояние от реального или гипотетического центра вращения; думаю "радиус"). Следовательно, он имеет единицы Нм.
В действии гироскоп перераспределяет любые приложенные крутящие моменты, чтобы они не влияли на движение центрального вала. Здесь важно отметить, что гироскоп не предназначен для того, чтобы что-то двигалось по прямой линии; это предназначено, чтобы что-то двигалось с постоянной скоростью вращения. Если вы подумаете об этом, вы, вероятно, можете представить, что космические корабли, летящие на Луну или в более далекие места, не идут по прямой; скорее, они используют силу тяжести, создаваемую различными телами, и перемещаются по траекториям или кривым. Уловка состоит в том, чтобы обеспечить постоянство параметров этой кривой.
Выше отмечалось, что вал или диск, образующие центр гироскопа, имеют тенденцию быть тяжелыми. Он также имеет тенденцию вращаться с невероятной скоростью - например, гироскопы телескопа Хаббла вращаются со скоростью 19 200 оборотов в минуту, или 320 оборотов в секунду. На первый взгляд кажется абсурдным, что ученые оснастили такой чувствительный инструмент всасывающим безрассудно свободным (буквально) компонентом в его середине. Вместо этого, конечно, это стратегическое направление. Импульс в физике - это просто масса, умноженная на скорость. Соответственно, угловой момент равен инерция (величина, включающая массу, как вы увидите ниже), умноженная на угловую скорость. В результате, чем быстрее вращается колесо и чем больше его инерция за счет большей массы, тем большим угловым моментом обладает вал. В результате стабилизаторы и внешние компоненты гироскопа обладают высокой способностью подавлять эффекты. внешнего крутящего момента до того, как этот крутящий момент достигнет уровней, достаточных для нарушения ориентации вала в космос.
Пример элитных гироскопов: телескоп Хаббла
Знаменитый телескоп Хаббл содержит шесть различных гироскопов для навигации, и их периодически необходимо заменять. Ошеломляющая скорость вращения его ротора означает, что шариковые подшипники непрактичны или невозможны для гироскопа этого калибра. Вместо этого «Хаббл» использует гироскопы, содержащие газовые подшипники, которые предлагают практически полное вращение без трения, каким может похвастаться все, что построено людьми.
Почему первый закон Ньютона иногда называют «законом инерции»
Инерция - это сопротивление изменению скорости и направления, какими бы они ни были. Это простая версия официального заявления, сформулированного Исааком Ньютоном много веков назад.
Говоря обыденным языком, «инерция» обычно означает нежелание двигаться, например: «Я собирался косить газон, но инерция удерживала меня прижатым к дивану». Это было бы Однако странно видеть, что кто-то, только что достигнув конца 26,2-мильного марафона, отказывается остановиться из-за эффекта инерции, хотя с точки зрения физики использование этого термина здесь также допустимо - если бы бегун продолжал бежать в том же направлении и с той же скоростью, технически это было бы инерцией при Работа. И вы можете представить себе ситуации, в которых люди говорят, что они не перестали что-то делать по инерции, например: «Я собирался покидать казино, но инерция заставляла меня переходить от стола к столу ». (В этом случае« импульс »может быть лучше, но только если игрок победа!)
Инерция - это сила?
Уравнение для углового момента:
L = Iω
Где L имеет единицы кг ⋅ м2/s. Поскольку единицы угловой скорости ω - обратные секунды, или с-1, инерция I имеет единицы кг ⋅ м.2. Стандартная единица силы - ньютон - выражается в кг ⋅ м / с.2. Таким образом, инерция - это не сила. Это не помешало фразе «сила инерции» войти в общепринятый жаргон, как это происходит с другими вещами, которые «ощущаются» как силы (хороший пример - давление).
Боковое примечание: в то время как масса - это не сила, вес - это сила, несмотря на то, что эти два термина взаимозаменяемы в повседневной жизни. Это связано с тем, что вес является функцией силы тяжести, и поскольку мало кто когда-либо покидает Землю надолго, веса объектов на Земле фактически постоянны, так же как их массы буквально постоянны.
Что измеряет акселерометр?
Акселерометр, как следует из названия, измеряет ускорение, но только линейное ускорение. Это означает, что эти устройства не особенно полезны во многих приложениях трехмерных гироскопов, хотя они удобно в ситуациях, когда можно принять направление движения только в одном измерении (например, в типичном лифте).
Акселерометр - это один из типов инерциальных датчиков. Другой вариант - гироскоп, за исключением того, что гироскоп измеряет угловое ускорение. И, хотя это выходит за рамки этой темы, магнитометр - это третий вид инерциальных датчиков, используемых для магнитных полей. Продукты виртуальной реальности (VR) включают в себя эти инерционные датчики в сочетании, чтобы обеспечить пользователям более надежный и реалистичный опыт.
