Γιατί χρησιμοποιούνται τα γυροσκόπια;

Περιεχόμενο

• Γιατί κλίνετε προς τα αριστερά όταν ένα αυτοκίνητο στρέφεται σωστά;
• Η Προέλευση του Γυροσκοπίου
• Τι είναι τα γυροσκόπια;
• Η Φυσική του Γυροσκοπίου
• Ένα παράδειγμα του Elite Gyroscopes: Το τηλεσκόπιο Hubble
• Γιατί ο πρώτος νόμος του Newton ονομάζεται κάποτε "νόμος αδράνειας"
• Η αδράνεια είναι μια δύναμη;
• Τι σημαίνει ένα μέτρο επιταχυνσιόμετρο;

Το γυροσκόπιο, συχνά απλά ονομάζεται γυροσκόπιο (που δεν πρέπει να συγχέεται με το ελληνικό τυλιγμένο φαγητό), δεν παίρνει πάρα πολλούς τύπους. Αλλά χωρίς αυτό το θαύμα της μηχανικής, ο κόσμος - και κυρίως η ανθρωποκεντρική εξερεύνηση άλλων κόσμων - θα ήταν θεμελιωδώς διαφορετική. Τα γυροσκόπια είναι απαραίτητα στην πυραυλική και αεροναυτική, και ως επίδομα, ένα απλό γυροσκόπιο κάνει ένα μεγάλο παιδικό παιχνίδι.

Ένα γυροσκόπιο, αν και μια μηχανή με πολλά κινούμενα μέρη, είναι στην πραγματικότητα ένας αισθητήρας. Σκοπός του είναι να διατηρήσει σταθερή την κίνηση ενός περιστρεφόμενου μέρους στο κέντρο του γυροσκοπίου σε σχέση με τις μετατοπίσεις των δυνάμεων που επιβάλλει το εξωτερικό περιβάλλον των γυροσκοπίων. Κατασκευάζονται έτσι ώστε αυτές οι εξωτερικές μετατοπίσεις να αντισταθμίζονται από τις κινήσεις των εξαρτημάτων γυροσκοπίων που αντιτίθενται πάντοτε στην επιβαλλόμενη μετατόπιση. Αυτό δεν έρχεται σε αντίθεση με τον τρόπο που μια πόρτα με ελατήριο ή ποντικοπαγίδα θα αντιταχθεί στις προσπάθειές σας να το τραβήξει ανοιχτό, ακόμα πιο δυναμικά αν αυξηθούν οι δικές σας προσπάθειες. Ένα γυροσκόπιο, ωστόσο, είναι πολύ πιο περίπλοκο από μια πηγή.

Γιατί κλίνετε προς τα αριστερά όταν ένα αυτοκίνητο στρέφεται σωστά;

Τι σημαίνει να βιώσετε μια "εξωτερική δύναμη", δηλαδή να υποβληθείτε σε μια νέα δύναμη όταν δεν σας αγγίζει τίποτε καινούργιο; Σκεφτείτε τι συμβαίνει όταν βρίσκεστε στο κάθισμα του συνοδηγού ενός αυτοκινήτου που ταξιδεύει σε ευθεία γραμμή με σταθερή ταχύτητα. Επειδή το αυτοκίνητο δεν επιταχύνει ή επιβραδύνει, το σώμα σας δεν παρουσιάζει γραμμική επιτάχυνση και επειδή το αυτοκίνητο δεν γυρίζει, δεν παρατηρείτε γωνιακή επιτάχυνση. Επειδή η δύναμη είναι το προϊόν της μάζας και της επιτάχυνσης, δεν υφίσταται καμία καθαρή δύναμη κάτω από αυτές τις συνθήκες, ακόμα κι αν κινείστε με ταχύτητα 200 μίλια ανά ώρα. Αυτό είναι σύμφωνο με τον πρώτο νόμο κίνησης του Newton, ο οποίος δηλώνει ότι ένα αντικείμενο σε κατάσταση ηρεμίας θα παραμείνει σε ηρεμία εκτός αν ενεργήσει από μια εξωτερική δύναμη και επίσης ότι ένα αντικείμενο που κινείται με σταθερή ταχύτητα προς την ίδια κατεύθυνση θα συνεχίσει κατά μήκος της ακριβούς του πορείας, υποβάλλονται σε εξωτερική δύναμη.

Όταν όμως το αυτοκίνητο κάνει στροφή προς τα δεξιά, αν δεν καταβάλλετε κάποια σωματική προσπάθεια για να εξουδετερώσετε την ξαφνική εισαγωγή της γωνιακής επιτάχυνσης στην πορεία του αυτοκινήτου σας, θα αναποδογυρίσετε προς τον αριστερό σας οδηγό. Έχετε περάσει από το να μην βιώσετε καμία καθαρή δύναμη να δοκιμάσετε μια δύναμη που δείχνει κατευθείαν έξω από το κέντρο του κύκλου το αυτοκίνητο έχει μόλις αρχίσει να εντοπίζει. Επειδή οι βραχύτερες στροφές οδηγούν σε μεγαλύτερη γωνιακή επιτάχυνση σε μια δεδομένη γραμμική ταχύτητα, η τάση σας να ακουμπάτε προς τα αριστερά είναι πιο έντονη όταν ο οδηγός σας κάνει μια απότομη στροφή.

Η δική σας, κοινωνικά ριζωμένη πρακτική να εφαρμόζετε μια αρκετά αντίθετη προσπάθεια να κρατήσετε τον εαυτό σας στην ίδια θέση στο κάθισμά σας είναι ανάλογη με τα γυροσκόπια, αν και με πολύ πιο πολύπλοκο και αποτελεσματικό τρόπο.

Η Προέλευση του Γυροσκοπίου

Το γυροσκόπιο μπορεί να επισημανθεί επισήμως μέχρι τα μέσα του 19ου αιώνα και ο γάλλος φυσικός Leon Foucault. Ο Foucault είναι ίσως καλύτερα γνωστός για το εκκρεμές που παίρνει το όνομά του και έκανε το μεγαλύτερο μέρος του έργου του στην οπτική, αλλά κατέληξε σε μια συσκευή που έδειχνε την περιστροφή της Γης με τον προσδιορισμό ενός τρόπου να ακυρώσει ή να απομονώσετε τα αποτελέσματα της βαρύτητας στα εσωτερικά μέρη της συσκευής. Έτσι σήμαινε ότι οποιαδήποτε αλλαγή στον άξονα περιστροφής του τροχού γυροσκοπίου κατά τη διάρκεια της περιστροφής έπρεπε να είχε μεταδοθεί από την περιστροφή της Γης. Έτσι ξεδιπλώθηκε η πρώτη επίσημη χρήση ενός γυροσκοπίου.

Τι είναι τα γυροσκόπια;

Η βασική αρχή ενός γυροσκοπίου μπορεί να απεικονιστεί χρησιμοποιώντας έναν περιστρεφόμενο τροχό ποδηλάτου σε απομόνωση. Αν έπρεπε να κρατάτε τον τροχό σε κάθε πλευρά από έναν κοντό άξονα που τοποθετείται στο μέσο του τροχού (όπως ένα στυλό) και κάποιος περιστράφηκε από τον τροχό ενώ τον κρατήσατε, θα παρατηρήσετε ότι εάν προσπαθήσατε να αναποδογυρίσετε τον τροχό προς τη μία πλευρά , δεν θα πήγαινε προς αυτή την κατεύθυνση σχεδόν εξίσου εύκολα όπως θα ήταν αν δεν γυρίζονταν. Αυτό ισχύει για οποιαδήποτε κατεύθυνση της επιλογής σας και δεν έχει σημασία πόσο ξαφνικά το κίνημα εισάγεται.

Είναι ίσως ευκολότερο να περιγράψουμε τα μέρη ενός γυροσκοπίου από το εσωτερικό στο εξώτερο. Πρώτον, στο κέντρο υπάρχει ένας περιστρεφόμενος άξονας ή δίσκος (και όταν το σκεφτείτε γεωμετρικά, ένας δίσκος δεν είναι παρά ένας πολύ μικρός, πολύ ευρύς άξονας). Αυτό είναι το βαρύτερο στοιχείο της ρύθμισης. Ο άξονας που διέρχεται από το κέντρο του δίσκου συνδέεται με ρουλεμάν με σχεδόν τριβή σε ένα κυκλικό στεφάνι, που ονομάζεται άξονα. Αυτό είναι όπου η ιστορία γίνεται περίεργη και εξαιρετικά ενδιαφέρουσα. Αυτό το αντίζυγμα είναι προσαρτημένο από παρόμοια ρουλεμάν σε ένα άλλο άξονα που είναι απλώς ένα μικροσκοπικό κομμάτι ευρύτερο, έτσι ώστε το εσωτερικό αντίβαρου να μπορεί να περιστραφεί ελεύθερα μέσα στα όρια του εξωτερικού αντίβαρου. Τα σημεία σύνδεσης των αντίβαρων μεταξύ τους είναι κατά μήκος μίας γραμμής κάθετης προς τον άξονα περιστροφής του κεντρικού δίσκου. Τέλος, το εξωτερικό ακραξόνιο συνδέεται με ακόμα πιο ολισθαίνοντα ρουλεμάν σε ένα τρίτο στεφάνι, το οποίο χρησιμεύει ως το πλαίσιο του γυροσκοπίου.

(Πρέπει να συμβουλευτείτε ένα διάγραμμα ενός γυροσκοπίου ή να παρακολουθήσετε τα σύντομα βίντεο στους πόρους, αν δεν έχετε ήδη, διαφορετικά, όλα αυτά είναι σχεδόν αδύνατο να απεικονιστούν!)

Το κλειδί για τη λειτουργία του γυροσκοπίου είναι ότι τα τρία αλληλοσυνδεόμενα αλλά ανεξάρτητα περιστρεφόμενα αντίζυγα επιτρέπουν την κίνηση σε τρία επίπεδα ή διαστάσεις. Αν κάτι μπορούσε να διαταράξει τον άξονα περιστροφής του εσωτερικού άξονα, αυτή η διαταραχή μπορεί ταυτόχρονα να αντισταθεί και στις τρεις διαστάσεις, επειδή τα αντίζυγα «απορροφούν» τη δύναμη με συντονισμένο τρόπο. Αυτό που συμβαίνει ουσιαστικά είναι ότι καθώς οι δύο εσωτερικοί δακτύλιοι περιστρέφονται σε απόκριση οποιασδήποτε διαταραχής που έχει βιώσει το γυροσκόπιο, οι αντίστοιχοι άξονές τους περιστροφής βρίσκονται μέσα σε ένα επίπεδο το οποίο παραμένει κάθετο στον άξονα περιστροφής του άξονα. Εάν αυτό το επίπεδο δεν αλλάξει, τότε ούτε η κατεύθυνση των αξόνων.

Η Φυσική του Γυροσκοπίου

Η ροπή είναι η δύναμη που ασκείται γύρω από έναν άξονα περιστροφής και όχι ευθεία. Επομένως, έχει αποτελέσματα στην περιστροφική κίνηση παρά στην γραμμική κίνηση. Στις τυποποιημένες μονάδες, ο χρόνος δύναμης είναι ο "μοχλοβραχίονας" (η απόσταση από το πραγματικό ή το υποθετικό κέντρο περιστροφής, η "ακτίνα" σκέψης). Επομένως έχει μονάδες N⋅m.

Αυτό που επιτυγχάνει ένα γυροσκόπιο είναι η ανακατανομή οποιωνδήποτε εφαρμοζόμενων ροπών, έτσι ώστε αυτές να μην επηρεάζουν την κίνηση του κεντρικού άξονα. Είναι σημαντικό να σημειωθεί εδώ ότι ένα γυροσκόπιο δεν προορίζεται να κρατήσει κάτι κινείται σε ευθεία γραμμή. Σκοπός είναι να κρατήσει κάτι κινείται με σταθερή ταχύτητα περιστροφής. Εάν το σκεφτείτε, ίσως φανταστείτε ότι τα διαστημικά σκάφη που ταξιδεύουν στο φεγγάρι ή σε πιο απομακρυσμένους προορισμούς δεν πηγαίνουν από σημείο σε σημείο. Αντίθετα, κάνουν χρήση της βαρύτητας που ασκείται από διαφορετικά σώματα και ταξιδεύουν σε τροχιές ή καμπύλες. Το τέχνασμα είναι να διασφαλιστεί ότι οι παράμετροι αυτής της καμπύλης παραμένουν σταθερές.

Σημειώθηκε παραπάνω ότι ο άξονας ή ο δίσκος που αποτελούν το κέντρο του γυροσκοπίου τείνει να είναι βαρύς. Έχει επίσης την τάση να γυρίζει σε εξαιρετικές ταχύτητες - τα γυροσκόπια στο τηλεσκόπιο Hubble, για παράδειγμα, περιστρέφονται σε 19.200 περιστροφές ανά λεπτό ή 320 ανά δευτερόλεπτο. Στην επιφάνεια, φαίνεται παράλογο ότι οι επιστήμονες θα εξοπλίσουν ένα τέτοιο ευαίσθητο όργανο με το να πιπιλίζουν ένα άσχημα ελεύθερο (κυριολεκτικά) συστατικό στη μέση του. Αντ 'αυτού, φυσικά, αυτό είναι στρατηγικό. Η ορμή, στη φυσική, είναι απλώς η ταχύτητα της μάζας. Αντίστοιχα, η γωνιακή ορμή είναι αδράνεια (μια ποσότητα που ενσωματώνει μάζα, όπως θα δείτε παρακάτω) χρόνους γωνιακής ταχύτητας. Ως αποτέλεσμα, όσο γρηγορότερα ο τροχός περιστρέφεται και όσο μεγαλύτερη είναι η αδράνεια του λόγω της μεγαλύτερης μάζας, τόσο μεγαλύτερη είναι η γωνιακή ορμή που διαθέτει ο άξονας. Ως εκ τούτου, τα αντίζυγα και τα εξωτερικά εξαρτήματα γυροσκοπίου έχουν μεγάλη ικανότητα να σμικρύνουν τα αποτελέσματα της εξωτερικής ροπής πριν η ροπή αυτή φθάσει σε επίπεδα επαρκή για να διαταράξουν τον προσανατολισμό των αξόνων στο διάστημα.

Ένα παράδειγμα του Elite Gyroscopes: Το τηλεσκόπιο Hubble

Το φημισμένο τηλεσκόπιο Hubble περιέχει έξι διαφορετικά γυροσκόπια για την πλοήγησή του και αυτά πρέπει να αντικαθίστανται περιοδικά. Η κλιμακωτή περιστροφική ταχύτητα του ρότορα του υποδηλώνει ότι τα ρουλεμάν είναι πρακτικά αδύνατα για αυτό το διαμέτρημα γυροσκοπίου. Αντίθετα, το Hubble χρησιμοποιεί γυροσκόπια που περιέχουν έδρανα αερίου, τα οποία προσφέρουν όσο το δυνατόν πλησιέστερα σε μια πραγματική περιστροφική εμπειρία χωρίς τριβή, όπως μπορεί να καυχιέψει οτιδήποτε χτίστηκε από τον άνθρωπο.

Γιατί ο πρώτος νόμος του Newton ονομάζεται κάποτε "νόμος αδράνειας"

Η αδράνεια είναι μια αντίσταση στην αλλαγή της ταχύτητας και της κατεύθυνσης, ανεξάρτητα από το αν είναι. Αυτή είναι η απλή εκδοχή της επίσημης διακήρυξης που έδωσε ο Ισαάκ Νεύτων πριν από αιώνες.

Στην καθημερινή γλώσσα, η "αδράνεια" αναφέρεται συνήθως σε μια απροθυμία να κινηθεί, όπως, "Ήμουν να κόψω το γκαζόν, αλλά η αδράνεια με κράτησε πιαστεί στον καναπέ". Θα ήταν περίεργο όμως να δούμε κάποιον που μόλις έφτασε στο τέλος ενός μαραθωνίου 26,2 μιλίων να αρνηθεί να σταματήσει λόγω των συνεπειών της αδράνειας, αν και από φυσική άποψη η χρήση του όρου εδώ θα ήταν εξίσου επιτρεπτή - εάν ο δρομέας συνέχισε να τρέχει στην ίδια κατεύθυνση και με την ίδια ταχύτητα, τεχνικά που θα ήταν αδράνεια στην εργασία. Και μπορείτε να φανταστείτε καταστάσεις στις οποίες οι άνθρωποι λένε ότι απέτυχαν να σταματήσουν να κάνουν κάτι σαν αποτέλεσμα αδράνειας, όπως, "Ήταν να φύγω από το καζίνο, αλλά η αδράνεια με κράτησε από το τραπέζι στο τραπέζι". (Σε αυτή την περίπτωση, η "ορμή" μπορεί να είναι καλύτερη, αλλά μόνο αν ο παίκτης κερδίζει!)

Η αδράνεια είναι μια δύναμη;

Η εξίσωση γωνιακής ορμής είναι:

L = Iω

Όπου L έχει μονάδες kg ⋅ m²/μικρό. Δεδομένου ότι οι μονάδες γωνιακής ταχύτητας, ω, είναι αμοιβαία δευτερόλεπτα ή s-1, I, η αδράνεια έχει μονάδες kg ⋅ m². Η τυποποιημένη μονάδα δύναμης, το newton, χωρίζεται σε kg ⋅ m / s². Έτσι, η αδράνεια δεν είναι δύναμη. Αυτό δεν κράτησε τη φράση "δύναμη αδράνειας" από την είσοδο στην mainstream γλώσσα, όπως συμβαίνει με άλλα πράγματα που "αισθάνονται" σαν τις δυνάμεις (η πίεση είναι ένα καλό παράδειγμα).

Πλευρική σημείωση: Ενώ η μάζα δεν είναι δύναμη, το βάρος είναι μια δύναμη παρά τους δύο όρους που χρησιμοποιούνται εναλλακτικά στις καθημερινές ρυθμίσεις. Αυτό συμβαίνει επειδή το βάρος είναι συνάρτηση της βαρύτητας και αφού λίγοι άνθρωποι εγκαταλείπουν ποτέ τη Γη για μεγάλο χρονικό διάστημα, τα βάρη των αντικειμένων στη Γη είναι ουσιαστικά σταθερά, όπως ακριβώς οι μάζες τους είναι κυριολεκτικά σταθερές.

Τι σημαίνει ένα μέτρο επιταχυνσιόμετρο;

Ένα επιταχυνσιόμετρο, όπως υποδηλώνει το όνομα, μετρά επιτάχυνση, αλλά μόνο γραμμική επιτάχυνση. Αυτό σημαίνει ότι αυτές οι συσκευές δεν είναι ιδιαίτερα χρήσιμες σε πολλές τρισδιάστατες εφαρμογές γυροσκοπίου, αν και είναι πρακτικές σε καταστάσεις όπου η κατεύθυνση κίνησης μπορεί να ληφθεί σε μία μόνο διάσταση (π.χ. ένα τυπικό ανελκυστήρα).

Ένα επιταχυνσιόμετρο είναι ένας τύπος αισθητήρα αδρανείας. Ένα γυροσκόπιο είναι ένα άλλο, εκτός από το ότι το γυροσκόπιο μετρά γωνιακή επιτάχυνση. Και, αν και εκτός του πεδίου αυτού του θέματος, ένα μαγνητόμετρο είναι ένα τρίτο είδος αδρανειακού αισθητήρα, αυτό που χρησιμοποιείται για μαγνητικά πεδία. Τα προϊόντα εικονικής πραγματικότητας (VR) ενσωματώνουν αυτούς τους αδρανειακούς αισθητήρες σε συνδυασμό για να παράγουν πιο ισχυρές και ρεαλιστικές εμπειρίες για τους χρήστες.