За шта се користе жироскопи?

Жироскоп, који се често назива и жироскопом (да се не би помешао са грчким омотом хране), нема велику штампу. Али без овог чуда технике, свет - и посебно истраживање човечанства других светова - било би суштински другачије. Жироскопи су незаменљиви у ракетном летењу и ваздухопловству, а као бонус, једноставан жироскоп чини сјајну дечију играчку.

Жироскоп, иако машина са пуно покретних делова, заправо је сензор. Његова сврха је да одржи окретање ротирајућег дела у центру жироскопа равномерно услед промена у силама које намеће спољно окружење жироскопа. Конструисани су тако да се ови спољни помаци уравнотеже покретима делова жироскопа који се увек супротстављају наметнутом померању. Ово се не разликује од начина на који ће се врата или опруга за мишеве с опругом супротставити вашим покушајима да их отворите, утолико снажније ако се ваши напори повећају. Жироскоп је, међутим, много замршенији од извора.

Шта значи доживети „спољашњу силу“, то јест бити подвргнут новој сили када вас заправо ништа ново не додирује? Размотрите шта се дешава када сте на сувозачком седишту аутомобила који је возио равном линијом константном брзином. Будући да аутомобил не убрзава и не успорава, ваше тело не доживљава линеарно убрзање, а пошто се аутомобил не окреће, не доживљавате угаоно убрзање. Будући да је сила производ масе и убрзања, у овим условима не осећате нето силу, чак и ако се крећете брзином од 200 миља на сат. То је у складу са првим Њутновим законом кретања, који каже да ће објект који мирује остати у мировању, осим ако на њега не делује споља сила, а такође и да ће се објекат који се креће константном брзином у истом смеру наставити својим тачним путем уколико није изложен спољашњој сила.

Међутим, када аутомобил скрене удесно, осим ако не учините неки физички напор да бисте се супротставили изненадно увођење угаоног убрзања у вашу вожњу аутомобилом, преврнућете се према возачу лево. Прешли сте од искусивања никакве нето силе до искусивања силе која показује равно из средишта круга који је аутомобил управо почео да прати. Будући да краћи завоји резултирају већим угловним убрзањем при датој линеарној брзини, ваша тенденција нагињања улево је израженија када ваш возач направи оштар заокрет.

Ваша сопствена, друштвено укоријењена пракса примјене таман толико напора против нагињања да се држите у исти положај у вашем седишту је аналоган ономе што раде жироскопи, иако у далеко сложенијој - и ефикаснијој - начин.

Жироскоп се формално може пратити до средине 19. века и француског физичара Леона Фоуцаулта. Фоуцаулт је можда познатији по клатну које носи његово име и који је већину својих послова радио у оптицају, али је смислио уређај који је некада користио демонстрирати ротацију Земље смишљањем начина да се, у ствари, пониште или изолују ефекти гравитације на најдубље делове уређаја. То је значило да је свака промена у оси ротације жироскопског точка током времена која се окретала морала да буде извршена ротацијом Земље. Тако се развила прва формална употреба жироскопа.

Основни принцип жироскопа може се илустровати коришћењем обртног бициклистичког точка у изолацији. Ако бисте држали точак са сваке стране за кратку осовину постављену кроз средину точка (попут оловке) и неко би ротирао точак док сте ви држали приметили бисте да ако покушате да преврнете точак на једну страну, он не би ишао у том смеру готово једнако лако као да се не врти. Ово важи за било који правац по вашем избору и без обзира колико изненада покретање буде уведено.

Можда је најлакше описати делове жироскопа од најдубљег до крајњег. Прво, у средишту је ротирајућа осовина или диск (а кад боље размислите, геометријски гледано, диск није ништа друго до врло кратка, врло широка осовина). Ово је најтежа компонента аранжмана. Осовина која пролази кроз средиште диска причвршћена је кугличним лежајевима без трења за кружни обруч, који се назива кардан. Овде прича постаје чудна и изузетно занимљива. Овај кардан је сам повезан сличним кугличним лежајевима за други кардан који је само мало шири, тако да се унутрашњи кардан може слободно вртјети унутар граница спољног карданског ормана. Тачке причвршћивања кардона једна уз другу су дуж линије окомите на осу ротације централног диска. Коначно, спољни кардан је причвршћен још глатким клизним кугличним лежајевима за трећи обруч, који служи као оквир жироскопа.

(Требали бисте погледати дијаграм жироскопа или погледати кратке видео записе у Ресурсима, ако већ нисте; иначе је све ово готово немогуће визуализовати!)

Кључ функције жироскопа је у томе што три међусобно повезана, али независно окрећућа се гимбала омогућавају кретање у три равни или димензије. Ако би нешто могло потенцијално пореметити осу ротације унутрашњег вратила, ово узнемирење може истовремено се одупрети у све три димензије јер карданске координате координатно „упијају“ силу начин. Оно што се у суштини догађа је то што се два унутрашња прстена окрећу као одговор на било какве сметње које жироскоп има искусни, њихове одговарајуће осе ротације леже у равни која остаје окомита на осу ротације осовина. Ако се ова раван не промени, не мења се ни смер осовине.

Обртни моменат је сила која се примењује око осе ротације, а не право. Стога он има ефекте на ротационо кретање, а не на линеарно кретање. У стандардним јединицама то је сила помножена са „полугом полуге“ (удаљеност од стварног или хипотетичког центра ротације; помисли "радијус"). Стога има јединице Н⋅м.

Оно што жироскоп у акцији постиже је прерасподела било ког обртног момента тако да они не утиче на кретање централног вратила. Овде је од виталне важности напоменути да жироскоп није намењен да држи нешто у правој линији; намењено је да се нешто покреће са константном брзином ротације. Ако мало размислите, вероватно можете замислити да свемирске летелице које путују на Месец или на удаљенија одредишта не иду од тачке до тачке; већ користе гравитацију коју врше различита тела и путују у путањама или кривинама. Трик је у томе да параметри ове криве остану константни.

Горе је примећено да осовина или диск који чине средиште жироскопа имају тенденцију да буду тешки. Такође има тенденцију да се врти изванредним брзинама - на пример, жироскопи на телескопу Хуббле врте се са 19.200 ротација у минути или 320 у секунди. Наизглед је апсурдно да би научници опремили тако осетљив инструмент усред његове усамљене безобзирне слободне (буквално) компоненте. Уместо тога, наравно, ово је стратешко. Замах је у физици једноставно маса помножена са брзином. Сходно томе, угаони импулс је инерција (количина која укључује масу, као што ћете видети доле) помножена са угаоном брзином. Као резултат тога, што се брже точак окреће и што је већа његова инерција за већу масу, осовина има већи угаони замах. Као резултат, карданске и спољашње компоненте жироскопа имају висок капацитет за утишавање ефеката спољног обртног момента пре него што тај обртни моменат достигне ниво довољан да поремети оријентацију вратила у свемир.

Чувени телескоп Хуббле садржи шест различитих жироскопа за навигацију, а њих периодично треба заменити. Запањујућа брзина ротације његовог ротора имплицира да су куглични лежајеви непрактични и немогући за овај калибар жироскопа. Уместо тога, Хуббле користи жироскопе који садрже гасне лежајеве, који пружају заиста ротацијско искуство без трења колико се може похвалити било шта што су људи направили.

Инерција је отпор променама брзине и правца, какви год да су. Ово је лаичка верзија формалне изјаве коју је Исак Њутн изнео пре векова.

У свакодневном језику, „инерција“ се обично односи на невољко кретање, као што је „Хтео сам да покосим травњак, али инерција ме је држала прикованом за кауч“. Било би чудно је, међутим, видети некога ко је тек стигао до краја маратона од 26,2 миље одбија да заустави због ефеката инерције, иако са физичког становишта употреба израза овде била би подједнако дозвољена - ако би тркач наставио да трчи у истом смеру и истом брзином, технички би то била инерција при радити. И можете замислити ситуације у којима људи кажу да нису успели да престану да раде нешто као резултат инерције, на пример, „Хтео сам напусти казино, али инерција ме је држала да идем од стола до стола. “(У овом случају,„ замах “би могао бити бољи, али само ако је играч Побеђивати!)

Једначина за угаони момент је:

Л = Иω

Тамо где Л има јединице кг ⋅ м²/s. Пошто су јединице угаоне брзине, ω, реципрочне секунде, или с-1, И, инерција, има јединице кг ⋅ м². Стандардна јединица силе, њутн, распада се на кг ⋅ м / с². Стога инерција није сила. Ово није спречило фразу „сила инерције“ да уђе у уобичајени народни језик, као што се дешава са другим стварима које се „осећају“ попут сила (притисак је добар пример).

Напомена: Иако маса није сила, тежина је сила, упркос томе што се два термина користе наизменично у свакодневним поставкама. То је зато што је тежина у функцији гравитације, а пошто мало људи икад напушта Земљу дуго, тежине објеката на Земљи су ефективно константне баш као што су и њихове масе дословно константне.

Акцелерометар, како и само име каже, мери убрзање, али само линеарно убрзање. То значи да ови уређаји нису посебно корисни у многим тродимензионалним апликацијама жироскопа, иако јесу згодан у ситуацијама у којима се правац кретања може узети само у једној димензији (нпр. типични лифт).

Акцелерометар је један тип инерцијалног сензора. Жироскоп је друго, осим што жироскоп мери угаоно убрзање. И, иако је изван делокруга ове теме, магнетометар је трећа врста инерцијалног сензора, овај који се користи за магнетна поља. Производи за виртуелну стварност (ВР) укључују ове инерцијалне сензоре у комбинацији да би произвели робусније и реалније искуство за кориснике.