Gyroskop, ktorý sa často nazýva jednoducho gyroskop (nezamieňajte si ho s gréckym potravinovým obalom), nemá veľkú tlač. Ale bez tohto zázraku inžinierstva by bol svet - a predovšetkým skúmanie ľudstva inými svetmi - zásadne iný. Gyroskopy sú v raketovej technike a v letectve nepostrádateľné a ako bonus je jednoduchý gyroskop skvelou detskou hračkou.
Gyroskop, aj keď je to stroj s dostatkom pohyblivých častí, je v skutočnosti snímačom. Jeho účelom je udržať stabilný pohyb rotujúcej časti v strede gyroskopu tvárou v tvár posunom síl pôsobiacich vonkajším prostredím gyroskopu. Sú skonštruované tak, aby tieto vonkajšie posuny boli vyvážené pohybmi častí gyroskopu, ktoré vždy bránia vynútenému posunu. Nie je to na rozdiel od spôsobu, akým sa pružinové dvere alebo pasca na myši postavia proti vašim pokusom o ich otvorenie, a to o to dôraznejšie, ak sa zvýši vaše vlastné úsilie. Gyroskop je však oveľa zložitejší ako prameň.
Prečo sa nakláňate smerom doľava, keď auto odbočí vpravo?
Čo to znamená zažiť „vonkajšiu silu“, to znamená podrobiť sa novej sile, keď sa vás vlastne nič nové nedotýka? Zvážte, čo sa stane, keď ste na sedadle spolujazdca v automobile, ktoré cestovalo konštantnou rýchlosťou priamym smerom. Pretože auto nezrýchľuje ani nespomaľuje, vaše telo nezažije žiadne lineárne zrýchlenie a pretože auto netočí, nezaznamenáte žiadne uhlové zrýchlenie. Pretože sila je produktom hmoty a zrýchlenia, za týchto podmienok nezažijete žiadnu čistú silu, aj keď sa pohybujete rýchlosťou 200 míľ za hodinu. Je to v súlade s prvým Newtonovým pohybovým zákonom, ktorý hovorí, že predmet v pokoji zostane v pokoji, pokiaľ na neho nebude reagovať vonkajší sila a tiež to, že objekt pohybujúci sa konštantnou rýchlosťou v rovnakom smere bude pokračovať po svojej presnej dráhe, pokiaľ nebude vystavený vonkajšej sila.
Keď však auto zatočí doprava, pokiaľ nevynaložíte nejaké fyzické úsilie na to, aby ste čelili náhle zavedenie uhlového zrýchlenia do jazdy autom, prevrátite sa smerom k vodičovi k svojmu vľavo. Prešli ste z prežívania žiadnej čistej sily k prežívaniu sily smerujúcej priamo zo stredu kruhu, ktorú auto práve začalo sledovať. Pretože kratšie zákruty majú za následok väčšie uhlové zrýchlenie pri danej lineárnej rýchlosti, vaša tendencia nakláňať sa doľava je výraznejšia, keď váš vodič urobí prudkú zákrutu.
Vaša vlastná, spoločensky zakorenená prax aplikácie dostatočného množstva anti-leaning úsilia, aby ste sa udržali v bezpečí rovnaká poloha na vašom sedadle je analogická s tým, čo robia gyroskopy, aj keď v oveľa zložitejšej - a efektívnejšej - podobe spôsobom.
Pôvod gyroskopu
Gyroskop môžeme formálne vysledovať až do polovice 19. storočia od francúzskeho fyzika Leona Foucaulta. Foucault je možno známejší vďaka kyvadlu, ktoré nesie jeho meno a väčšinu svojej práce robil v optike. Vymyslel však zariadenie, ktoré používal demonštrovať rotáciu Zeme vymýšľaním spôsobov, ako v skutočnosti zrušiť alebo izolovať účinky gravitácie na najvnútornejšie časti zariadenie. Znamenalo to, že akákoľvek zmena v osi otáčania kolesa gyroskopu počas otáčania sa musela uskutočniť rotáciou Zeme. Tak sa rozvinulo prvé formálne použitie gyroskopu.
Čo sú to gyroskopy?
Základný princíp gyroskopu je možné ilustrovať pomocou izolovaného točiaceho sa kolesa bicykla. Ak by ste mali držať koleso na každej strane krátkou nápravou umiestnenou cez stred kolesa (ako pero) a niekto kolesom otáčal, kým ste držali všimli by ste si, že ak by ste sa pokúsili nakloniť koleso na jednu stranu, nešlo by týmto smerom takmer tak ľahko, ako keby sa netočilo. To platí pre akýkoľvek smer podľa vášho výberu a bez ohľadu na to, ako náhle je pohyb zavedený.
Je asi najjednoduchšie opísať časti gyroskopu od najvnútornejších po najvzdialenejšie. Po prvé, v strede je rotujúci hriadeľ alebo disk (a keď o tom uvažujete, geometricky povedané, disk nie je nič iné ako veľmi krátky, veľmi široký hriadeľ). Toto je najťažšia súčasť usporiadania. Náprava prechádzajúca stredom disku je pripevnená guľkovými ložiskami takmer bez trenia k kruhovému krúžku, ktorý sa nazýva kardanový záves. Tu je príbeh zvláštny a veľmi zaujímavý. Tento kardan je sám pripevnený podobnými guličkovými ložiskami k inému kardanovi, ktorý je o niečo širší, takže vnútorný kardan sa môže voľne točiť v medziach vonkajšieho kardanového kĺbu. Body pripevnenia kardanových kĺbov k sebe sú pozdĺž čiary kolmej na os otáčania centrálneho disku. Nakoniec je vonkajší kardan pripevnený ešte plynulejšími guľkovými ložiskami k tretej obruči, ktorá slúži ako rám gyroskopu.
(Mali by ste skontrolovať diagram gyroskopu alebo sledovať krátke videá v zdrojoch, ak ste tak ešte neurobili; inak je toto všetko takmer nemožné vizualizovať!)
Kľúčom k funkcii gyroskopu je, že tri navzájom spojené, ale nezávisle sa točiace kardany umožňujú pohyb v troch rovinách alebo rozmeroch. Ak by niečo malo narušiť os otáčania vnútorného hriadeľa, toto rušenie môže sa súčasne odoláva vo všetkých troch rozmeroch, pretože kardany „koordinovane“ absorbujú silu spôsobom. V podstate sa deje to, že keď sa dva vnútorné krúžky otáčajú v reakcii na akékoľvek rušenie, ktoré má gyroskop podľa ich skúseností ležia ich príslušné osi rotácie v rovine, ktorá zostáva kolmá na os rotácie šachta. Ak sa táto rovina nezmení, nemení sa ani smer hriadeľa.
Fyzika gyroskopu
Krútiaci moment je sila vyvíjaná okolo osi otáčania, nie priamo. Má teda skôr vplyv na rotačný pohyb ako na lineárny pohyb. V štandardných jednotkách to sú silové časy „ramena páky“ (vzdialenosť od skutočného alebo hypotetického stredu otáčania; myslite "polomer"). Má preto jednotky N⋅m.
To, čo gyroskop v akcii dosahuje, je prerozdelenie všetkých aplikovaných krútiacich momentov tak, aby tieto nemali vplyv na pohyb centrálneho hriadeľa. Tu je nevyhnutné poznamenať, že gyroskop nemá za cieľ udržiavať niečo v priamom smere; má to niečo udržať v pohybe s konštantnou rýchlosťou otáčania. Ak sa nad tým zamyslíte, asi si dokážete predstaviť, že kozmické lode cestujúce na Mesiac alebo do vzdialenejších destinácií nejdú bod-bod; skôr využívajú gravitáciu vyvíjanú rôznymi telesami a cestujú v trajektóriách alebo zákrutách. Trik spočíva v zaistení toho, aby parametre tejto krivky zostali konštantné.
Vyššie bolo uvedené, že driek alebo disk tvoriaci stred gyroskopu majú tendenciu byť ťažký. Má tiež tendenciu točiť sa mimoriadnou rýchlosťou - napríklad gyroskopy na Hubblovom teleskopu sa otáčajú pri 19 200 otáčkach za minútu alebo 320 za sekundu. Naoko sa zdá absurdné, že by vedci vybavili taký citlivý prístroj, aby do jeho stredu nasali bezohľadne voľnobežnú (doslova) zložku. Namiesto toho je to samozrejme strategické. Hybnosť vo fyzike je jednoducho hromadná rýchlosť. Zodpovedajúcim spôsobom je moment hybnosti zotrvačnosť (veličina zahŕňajúca hmotu, ako uvidíte ďalej) krát uhlová rýchlosť. Výsledkom je, že čím rýchlejšie sa koleso krúti a čím väčšia je jeho zotrvačnosť vďaka väčšej hmotnosti, tým väčší je moment hybnosti hriadeľa. Výsledkom je, že kardany a komponenty externého gyroskopu majú vysokú kapacitu na tlmenie účinkov vonkajšieho krútiaceho momentu predtým, ako krútiaci moment dosiahne úrovne dostatočné na narušenie orientácie hriadeľa dovnútra priestor.
Príklad elitných gyroskopov: Hubblov ďalekohľad
Známy Hubblov ďalekohľad obsahuje pre svoju navigáciu šesť rôznych gyroskopov, ktoré je pravidelne potrebné meniť. Neuveriteľná rýchlosť otáčania jeho rotora znamená, že guľkové ložiská sú pre tento kaliber gyroskopu nepraktické až nemožné. Hubbleov teleskop namiesto toho využíva gyroskopy obsahujúce plynové ložiská, ktoré ponúkajú čo najbližšie k skutočne treciemu zážitku bez trenia, čím sa môže pochváliť čokoľvek, čo si ľudia môžu vytvoriť.
Prečo sa Newtonov prvý zákon niekedy nazýva „zákon zotrvačnosti“
Zotrvačnosť je odpor voči zmene rýchlosti a smeru, nech sú akékoľvek. Toto je laická verzia formálneho vyhlásenia, ktoré predložil Isaac Newton pred stáročiami.
V bežnom jazyku „zotrvačnosť“ zvyčajne označuje neochotu pohybovať sa, napríklad: „Chystal som sa pokosiť trávnik, ale zotrvačnosť ma držala pripnutú na gauči.“ Bolo by zvláštne je však vidieť niekoho, kto práve dosiahol koniec 26,2 míľového maratónu, odmietnuť prestať kvôli účinkom zotrvačnosti, aj keď z fyzikálneho hľadiska použitie tohto výrazu by bolo rovnako prípustné - ak by bežec pokračoval v jazde rovnakým smerom a rovnakou rýchlosťou, technicky by to bola zotrvačnosť pri práca. A viete si predstaviť situácie, v ktorých ľudia hovoria, že nedokázali prestať niečo robiť v dôsledku zotrvačnosti, napríklad: „Chystal som sa opustiť kasíno, ale zotrvačnosť ma udržiavala pri prechode od stola k stolu. “(V takom prípade by„ hybnosť “mohla byť lepšia, ale iba ak je hráč víťazný!)
Je zotrvačnosť sila?
Rovnica pre moment hybnosti je:
L = Iω
Kde L má jednotky kg ⋅ m2/s. Pretože jednotky uhlovej rýchlosti, ω, sú recipročné sekundy, alebo s-1, zotrvačnosť I má jednotky kg ⋅ m2. Štandardná jednotka sily, newton, sa rozpadá na kg ⋅ m / s2. Zotrvačnosť teda nie je sila. To nezabránilo tomu, aby sa fráza „zotrvačná sila“ nedostala do bežného jazyka, ako to býva v prípade iných vecí, ktoré sa „cítia“ ako sily (dobrým príkladom je tlak).
Bočná poznámka: Aj keď hmotnosť nie je sila, hmotnosť je sila napriek tomu, že tieto dva pojmy sú v každodennom prostredí zameniteľné. Je to tak preto, lebo hmotnosť je funkciou gravitácie a keďže len málo ľudí niekedy opustí Zem dlho, hmotnosti predmetov na Zemi sú skutočne konštantné, rovnako ako ich hmotnosti sú doslova nemenné.
Čo meria akcelerometer?
Akcelerometer, ako už z názvu vyplýva, meria zrýchlenie, ale iba lineárne zrýchlenie. To znamená, že tieto zariadenia nie sú obzvlášť užitočné v mnohých aplikáciách trojrozmerného gyroskopu, hoci sú užitočné v situáciách, v ktorých je možné predpokladať, že smer pohybu sa vyskytuje iba v jednej dimenzii (napr. typický výťah).
Akcelerometer je jeden typ inerciálneho snímača. Gyroskop je ďalší, až na to, že gyroskop meria uhlové zrýchlenie. Aj keď mimo rámec tejto témy je magnetometer tretím druhom inerciálneho snímača, ktorý sa používa pre magnetické polia. Produkty virtuálnej reality (VR) obsahujú tieto inerciálne snímače v kombinácii, aby používateľom priniesli robustnejšie a realistickejšie zážitky.