Vad används gyroskop till?

Gyroskopet, ofta bara kallat en gyro (inte att förväxla med det grekiska matpaketet), får inte mycket press. Men utan detta tekniska underverk skulle världen - och särskilt mänsklighetens utforskning av andra världar - vara fundamentalt annorlunda. Gyroskop är oumbärliga inom raket och flygteknik, och som en bonus är ett enkelt gyroskop ett fantastiskt barns leksak.

Ett gyroskop, även om det är en maskin med många rörliga delar, är faktiskt en sensor. Dess syfte är att hålla rörelsen hos en roterande del i mitten av gyroskopet stabil inför förändringar i de krafter som införs av gyroskopets yttre miljö. De är konstruerade så att dessa yttre förskjutningar motverkas av rörelser i gyroskopets delar som alltid motsätter sig den införda förskjutningen. Detta skiljer sig inte från hur en fjäderbelastad dörr eller en musfälla kommer att motsätta dig dina försök att öppna den, desto kraftfullare om dina egna ansträngningar ökar. Ett gyroskop är dock mycket mer invecklat än en fjäder.

Vad betyder det att uppleva en "extern kraft", det vill säga att bli utsatt för en ny kraft när inget nytt faktiskt rör dig? Tänk på vad som händer när du sitter i passagerarsätet i en bil som har färdats i en rak linje med konstant hastighet. Eftersom bilen inte påskyndar eller saktar ner upplever din kropp ingen linjär acceleration, och eftersom bilen inte svänger upplever du ingen vinkelacceleration. Eftersom kraft är en produkt av massa och acceleration upplever du ingen nettokraft under dessa förhållanden, även om du rör dig med en hastighet av 200 miles per timme. Detta är i enlighet med Newtons första rörelselag, som säger att ett föremål i vila kommer att förbli i vila såvida det inte påverkas av en kraft, och också att ett objekt som rör sig med konstant hastighet i samma riktning kommer att fortsätta längs sin exakta väg om det inte utsätts för en extern tvinga.

När bilen svänger åt höger, om du inte gör några fysiska ansträngningar för att motverka plötsligt införande av vinkelacceleration i din bilresa, kommer du att välta mot föraren till din vänster. Du har gått från att uppleva ingen nettokraft till att uppleva en kraft som pekar rakt ut från mitten av cirkeln som bilen precis har börjat spåra ut. Eftersom kortare sväng resulterar i större vinkelacceleration vid en given linjär hastighet är din tendens att luta sig åt vänster mer uttalad när din förare gör en skarp sväng.

Din egen, socialt inbörda praxis att använda tillräckligt med anti-lutande ansträngningar för att hålla dig i samma position i din plats är analog med vad gyroskop gör, om än i en mycket mer komplex - och effektiv - sätt.

Gyroskopet kan formellt spåras tillbaka till mitten av 1800-talet och den franska fysikern Leon Foucault. Foucault är kanske bättre känd för pendeln som tar sitt namn och gjorde det mesta av sitt arbete inom optik, men han kom med en enhet som han brukade använda demonstrera jordens rotation genom att räkna ut ett sätt att i själva verket eliminera eller isolera effekterna av tyngdkraften på de innersta delarna av enhet. Således innebar att varje förändring i gyroskophjulets rotationsaxel under den tid det snurrade måste ha förts av jordens rotation. Således utvecklades den första formella användningen av ett gyroskop.

Grundprincipen för ett gyroskop kan illustreras med hjälp av ett snurrande cykelhjul isolerat. Om du skulle hålla hjulet på vardera sidan av en kort axel placerad genom mitten av hjulet (som en penna) och någon roterade hjulet medan du höll det, skulle du märka att om du försökte tippa hjulet åt sidan, skulle det inte gå i den riktningen nästan lika lätt som det skulle om det inte snurrade. Detta gäller för vilken riktning du än väljer och oavsett hur plötsligt rörelsen introduceras.

Det är kanske enklast att beskriva delar av ett gyroskop från det innersta till det yttersta. Först, i mitten är en roterande axel eller skiva (och när du tänker på det, geometriskt sett är en skiva inget annat än en mycket kort, mycket bred axel). Detta är den tyngsta komponenten i arrangemanget. Axeln som passerar genom skivans mitt är fäst med nästan friktionslösa kullager till en cirkulär ring, kallad kardan. Det är här historien blir konstig och mycket intressant. Denna kardan är i sig själv fäst med liknande kullager till en annan kardan som bara är lite bredare, så att den inre kardan bara kan snurra fritt inom den yttre kardan. Fästena för fästena till varandra är längs en linje vinkelrät mot den centrala skivans rotationsaxel. Slutligen fästs den yttre kardan med ännu mer glidande kullager till en tredje ring, den här fungerar som ramen för gyroskopet.

(Du bör se ett diagram över ett gyroskop eller titta på de korta videorna i resurserna om du inte redan har gjort det; annars är allt detta nästan omöjligt att visualisera!)

Nyckeln till gyroskopets funktion är att de tre sammankopplade men oberoende snurrande kardanmunstycken möjliggör rörelse i tre plan eller dimensioner. Om något skulle kunna störa den inre axelns rotationsaxel, kan denna störning motstås samtidigt i alla tre dimensioner, eftersom kardborrarna "absorberar" kraften i en samordnad sätt. Vad som i huvudsak händer är att när de två inre ringarna roterar som svar på vilken störning som gyroskopet har upplevt ligger deras respektive rotationsaxlar inom ett plan som förblir vinkelrätt mot rotationsaxeln för axel. Om detta plan inte ändras, gör inte heller axelns riktning.

Momentet appliceras kraft kring en rotationsaxel snarare än rakt på. Det har således effekter på rotationsrörelse snarare än linjär rörelse. I standardenheter är det kraft gånger "hävarm" (avståndet från det verkliga eller hypotetiska rotationscentret; tänk "radie"). Den har därför enheter Nm.

Vad ett gyroskop i aktion åstadkommer är en omfördelning av alla applicerade vridmoment så att dessa inte påverkar rörelsen hos den centrala axeln. Det är viktigt att notera här att ett gyroskop inte är avsett att hålla något i rörelse. det är tänkt att hålla något i rörelse med konstant rotationshastighet. Om du tänker på det kan du antagligen föreställa dig att rymdfarkoster som reser till månen eller till mer avlägsna destinationer inte går punkt till punkt; snarare använder de tyngdkraften som utövas av olika kroppar och färdas i banor eller kurvor. Tricket är att se till att parametrarna för denna kurva förblir konstanta.

Det noterades ovan att axeln eller skivan som bildar mitten av gyroskopet tenderar att vara tung. Det tenderar också att snurra i extraordinära hastigheter - gyroskopen på Hubble Telescope, till exempel, snurrar vid 19 200 varv per minut eller 320 per sekund. På ytan verkar det absurt att forskare skulle utrusta ett så känsligt instrument med att suga en hänsynslöst frihjulskomponent (bokstavligen) mitt i den. Istället är det naturligtvis strategiskt. Momentum, i fysik, är helt enkelt mass gånger hastighet. På motsvarande sätt är vinkelmoment tröghet (en mängd som innehåller massa, som du kommer att se nedan) gånger vinkelhastigheten. Som ett resultat, ju snabbare hjulet snurrar och ju större tröghet genom större massa, desto mer vinkelmoment har axeln. Som ett resultat har gimbals och yttre gyroskopkomponenter en hög kapacitet för att dämpa effekterna av det yttre vridmomentet innan det momentet når tillräckliga nivåer för att störa axelns orientering in Plats.

Det berömda Hubble-teleskopet innehåller sex olika gyroskop för dess navigering, och dessa behöver regelbundet bytas ut. Rotorns svävande rotationshastighet innebär att kullager är opraktiska till omöjliga för denna kaliber av gyroskop. Istället använder Hubble gyroskop som innehåller gaslager, som erbjuder så nära en verkligt friktionsfri rotationsupplevelse som allt som byggs av människor kan skryta.

Tröghet är ett motstånd mot förändring i hastighet och riktning, oavsett vad de är. Detta är lekversionen av den formella förklaringen som Isaac Newton presenterade för århundraden sedan.

I vardagsspråket hänvisar "tröghet" vanligtvis till en motvilja mot att röra sig, till exempel "Jag skulle klippa gräsmattan, men tröghet höll mig fastspänd i soffan." Det skulle vara konstigt dock att se någon som just har nått slutet på ett 26,2 mil maraton vägrar att sluta på grund av tröghetseffekterna, även om ur fysik synvinkel användningen av termen här skulle vara lika tillåten - om löparen fortsatte att springa i samma riktning och i samma hastighet, tekniskt sett skulle det vara tröghet vid arbete. Och du kan föreställa dig situationer där människor säger att de misslyckades med att sluta göra något på grund av tröghet, som "Jag skulle lämna kasinot, men trögheten fick mig att gå från bord till bord. "(I detta fall kan" momentum "vara bättre, men bara om spelaren är vinnande!)

Ekvationen för vinkelmoment är:

L = Iω

Där L har enheter på kg ⋅ m²/s. Eftersom enheterna med vinkelhastighet, ω, är ömsesidiga sekunder, eller s-1, har I, trögheten, enheter på kg ⋅ m². Standardkraftenheten, Newton, bryts ner i kg ⋅ m / s². Tröghet är alltså inte en kraft. Detta har inte hindrat frasen "tröghetskraft" från att komma in i det allmänna språket, som händer med andra saker som "känns" som krafter (tryck är ett bra exempel).

Sidanot: Medan massa inte är en kraft, är vikten en kraft trots att de två termerna används omväxlande i vardagliga miljöer. Detta beror på att vikten är en funktion av tyngdkraften, och eftersom få människor någonsin lämnar jorden för länge, är vikten på objekt på jorden effektivt konstant precis som deras massor är bokstavligen konstanta.

En accelerometer, som namnet antyder, mäter acceleration, men endast linjär acceleration. Det betyder att dessa enheter inte är särskilt användbara i många tredimensionella gyroskopapplikationer, även om de är det praktiskt i situationer där rörelseriktningen endast kan inträffa i en dimension (t.ex. en typisk hiss).

En accelerometer är en typ av tröghetssensor. Ett gyroskop är ett annat, förutom att gyro mäter vinkelacceleration. Och även om det utanför detta ämnes räckvidd är en magnetometer en tredje typ av tröghetssensor, den här används för magnetfält. VR-produkter (Virtual reality) innehåller dessa tröghetssensorer i kombination för att ge mer robusta och realistiska upplevelser för användarna.