Для чого використовуються гіроскопи?

Гіроскоп, який часто називають гіроскопом (не плутати з грецьким харчовим обгортанням), не отримує великої кількості преси. Але без цього дива техніки світ - і, зокрема, дослідження людством інших світів - був би принципово іншим. Гіроскопи незамінні в ракетобудуванні та повітроплаванні, і як бонус простий гіроскоп робить чудову дитячу іграшку.

Гіроскоп, хоча і машина з великою кількістю рухомих частин, насправді є датчиком. Його метою є підтримка руху обертової частини в центрі гіроскопа рівномірним перед зміщенням сил, що діють зовнішнім середовищем гіроскопа. Вони побудовані таким чином, що ці зовнішні зрушення врівноважуються рухами частин гіроскопа, які завжди протистоять накладеному зсуву. Це не схоже на те, як пружинні двері або мишоловка протистоятимуть вашим спробам відкрити їх, тим сильніше, якщо ваші власні зусилля збільшаться. Однак гіроскоп набагато складніший, ніж джерело.

Що означає випробувати "зовнішню силу", тобто піддатися новій силі, коли насправді нічого нового не торкається вас? Поміркуйте, що відбувається, коли ви перебуваєте на пасажирському сидінні автомобіля, який їхав прямолінійно з постійною швидкістю. Оскільки машина не пришвидшує і не гальмує, ваше тіло не відчуває лінійного прискорення, а оскільки машина не повертається, ви не відчуваєте кутового прискорення. Оскільки сила є добутком маси та прискорення, за цих умов ви не відчуваєте чистої сили, навіть якщо ви рухаєтеся зі швидкістю 200 миль на годину. Це відповідає першому закону руху Ньютона, який стверджує, що об'єкт, що перебуває в стані спокою, залишатиметься в спокої, якщо на нього не діятиме зовнішня сторона сили, а також те, що об'єкт, що рухається з постійною швидкістю в тому ж напрямку, буде продовжувати свій точний шлях, якщо не буде підданий дії зовнішнього сили.

Однак, коли машина робить поворот праворуч, якщо ви не докладете певних фізичних зусиль для протидії раптово ввівши кутове прискорення у вашу поїздку на автомобілі, ви повалитесь у бік водія до вашого зліва. Ви пережили не відчуваючи ніякої чистої сили, а відчувши силу, спрямовану прямо з центру кола, яке машина тільки почала простежувати. Оскільки коротші повороти призводять до більшого кутового прискорення з заданою лінійною швидкістю, ваша тенденція нахилятися вліво стає більш вираженою, коли ваш водій робить різкий поворот.

Ваша власна, соціально вкорінена практика, що ви докладаєте достатньо зусиль проти нахилу, щоб утримати себе в цьому те саме положення на вашому сидінні є аналогічним тому, що роблять гіроскопи, хоча і набагато складнішим - і ефективним - шлях.

Формально гіроскоп можна простежити до середини 19 століття і французького фізика Леона Фуко. Фуко, мабуть, більш відомий завдяки маятнику, який бере його ім'я і виконував більшу частину своїх робіт в оптиці, але він придумав пристрій, яким звик продемонструвати обертання Землі, придумавши спосіб, по суті, скасувати або ізолювати вплив гравітації на внутрішні частини пристрою. Таким чином, це означало, що будь-яка зміна осі обертання колеса гіроскопа за час його обертання повинна була надаватися обертанням Землі. Так розгорнулося перше офіційне використання гіроскопа.

Основний принцип роботи гіроскопа можна проілюструвати, використовуючи спінінг велосипедного колеса ізольовано. Якби ви тримали колесо з кожного боку короткою віссю, розміщеною посередині колеса (як ручку), і хтось обертав колесо, поки ви тримали це, ви помітите, що якби ви спробували перекинути колесо вбік, воно не рухалося б у цьому напрямку майже так само легко, як, якби воно не крутилося. Це стосується будь-якого напрямку, який ви обрали, і незалежно від того, наскільки раптово буде введено рух.

Мабуть, найпростіше описати частини гіроскопа від самого внутрішнього до самого зовнішнього. По-перше, у центрі знаходиться обертовий вал або диск (і коли ви задумаєтесь, геометрично кажучи, диск - це не що інше, як дуже короткий, дуже широкий вал). Це найважча складова композиції. Вісь, що проходить через центр диска, прикріплена кульовими підшипниками, що майже не теряться, до кругового обруча, який називається карданним валом. Тут історія стає дивною та надзвичайно цікавою. Сам цей карданний прикріплений за допомогою подібних кулькових підшипників до іншого карданного, який є лише трохи крихітним, так що внутрішній карданний кардан може просто вільно обертатися в межах зовнішнього карданного карданного валу. Точки прикріплення карданних передач один до одного вздовж лінії, перпендикулярної осі обертання центрального диска. Нарешті, зовнішній карданний прикріплений ще більш гладкими ковзаючими кульковими підшипниками до третього обруча, який служить каркасом гіроскопа.

(Вам слід ознайомитися зі схемою гіроскопа або переглянути короткі відео в Ресурсах, якщо ви цього ще не зробили; інакше все це майже неможливо візуалізувати!)

Ключовим для функції гіроскопа є те, що три взаємопов’язані, але незалежно обертаються карданні підвіски дозволяють рухатись у трьох площинах або розмірах. Якщо щось потенційно збурить вісь обертання внутрішнього стовбура, це збурення може мати одночасний опір у всіх трьох вимірах, тому що кардани "поглинають" силу у скоординованій шлях. Що по суті відбувається, так це те, що два внутрішні кільця обертаються у відповідь на будь-які порушення гіроскопа досвідчені, їхні відповідні осі обертання лежать у площині, яка залишається перпендикулярною до осі обертання вал. Якщо ця площина не змінюється, то і напрямок вала не змінюється.

Крутний момент - це сила, прикладена до осі обертання, а не прямо. Таким чином, це впливає на обертальний рух, а не на лінійний рух. У стандартних одиницях це сила, помножена на "важіль важеля" (відстань від реального або гіпотетичного центру обертання; думаю "радіус"). Тому він має одиниці виміру Нм.

Діючий гіроскоп в дії - це перерозподіл будь-яких прикладених моментів, щоб вони не впливали на рух центрального валу. Тут життєво важливо відзначити, що гіроскоп не призначений утримувати щось, що рухається по прямій; він призначений тримати щось у русі з постійною швидкістю обертання. Якщо ви задумаєтесь, ви, мабуть, можете собі уявити, що космічні кораблі, що подорожують до Місяця або до більш віддалених пунктів призначення, не рухаються точка-точка; скоріше, вони використовують тяжіння, яке діють різні тіла, і рухаються по траєкторіях або кривих. Фокус полягає в тому, щоб параметри цієї кривої залишалися незмінними.

Вище зазначалося, що вал або диск, що утворюють центр гіроскопа, як правило, важкі. Він також має тенденцію обертатися з надзвичайною швидкістю - наприклад, гіроскопи на телескопі Хаббла обертаються зі швидкістю 19 200 обертів на хвилину або 320 на секунду. На перший погляд, здається абсурдним, що вчені обладнали б настільки чутливий інструмент, щоб всмоктувати безрозсудно вільний (буквально) компонент посередині нього. Натомість, звичайно, це стратегічно. Імпульс у фізиці - це просто маса, помножена на швидкість. Відповідно кутовий момент є інертність (кількість, що включає масу, як ви побачите нижче), помножену на кутову швидкість. В результаті, чим швидше обертається колесо і чим більша його інерція за рахунок більшої маси, тим більшим кутовим моментом володіє вал. Як результат, карданний та зовнішній компоненти гіроскопа мають високу здатність приглушувати ефекти зовнішнього крутного моменту до цього крутний момент досягне рівня, достатнього для порушення орієнтації валу в простору.

Відомий телескоп Хаббл містить шість різних гіроскопів для навігації, і їх періодично потрібно замінювати. Приголомшлива швидкість обертання його ротора означає, що кулькові підшипники непрактичні і неможливі для цього калібру гіроскопа. Натомість Хаббл використовує гіроскопи, що містять газові підшипники, які пропонують настільки близьке до справді без тертя обертання, наскільки може похвалитися будь-яка побудована людьми.

Інерція - це опір зміні швидкості та напрямку, якими б вони не були. Це версія офіційної декларації, викладена Ісааком Ньютоном століття тому.

У повсякденній мові "інерція" зазвичай означає небажання рухатися, наприклад, "Я збирався косити газон, але інерція тримала мене прикутою до дивана". Це було б дивно, однак, бачити, як хтось, хто щойно досяг кінця марафону довжиною 26,2 милі, відмовляється зупинятися через наслідки інерції, хоча з фізичної точки зору використання терміну тут було б однаково допустимим - якби бігун продовжував бігати в тому ж напрямку та з тією ж швидкістю, технічно це було б інерцією при робота. І ви можете собі уявити ситуації, коли люди кажуть, що не змогли припинити щось робити в результаті інерції, наприклад, "я збирався покиньте казино, але інерція змусила мене переходити від столу до столу. "(У цьому випадку" імпульс "може бути кращим, але лише якщо гравець виграш!)

Рівняння для моменту імпульсу:

L = Iω

Де L має одиниці кг ⋅ м²/s. Оскільки одиницями кутової швидкості, ω, є зворотні секунди, або s-1, I, за інерцією, має одиниці кг ⋅ м². Стандартна одиниця сили, ньютон, розпадається на кг ⋅ м / с². Таким чином, інерція не є силою. Це не завадило фразі "сила інерції" проникнути в загальнонаціональну мову, як це трапляється з іншими речами, які "відчувають" себе як сили (тиск є гарним прикладом).

Примітка: Хоча маса - це не сила, вага - сила, незважаючи на те, що два терміни використовуються як взаємозамінні у повсякденних умовах. Це пов’язано з тим, що вага є функцією сили тяжіння, і оскільки мало хто коли-небудь надовго залишає Землю, ваги об’єктів на Землі фактично постійні, як і їх маси буквально постійні.

Як випливає з назви, акселерометр вимірює прискорення, але лише лінійне прискорення. Це означає, що ці пристрої не є особливо корисними у багатьох програмах тривимірного гіроскопа, хоча вони є зручно в ситуаціях, коли напрямок руху можна визначити таким, що відбувається лише в одному вимірі (наприклад, типовий ліфт).

Акселерометр - це один з типів інерційних датчиків. Гіроскоп - це інше, за винятком того, що гіроскоп вимірює кутове прискорення. І, хоча поза сферою діяльності цієї теми, магнітометр - це третій тип інерційного датчика, який використовується для магнітних полів. Продукти віртуальної реальності (VR) включають ці інерційні датчики в поєднанні, щоб забезпечити більш надійний та реалістичний досвід для користувачів.