Mihin gyroskooppeja käytetään?

Sisältö

• Miksi nojaat vasemmalle, kun auto kääntyy oikealle?
• Gyroskoopin alkuperä
• Mitä ovat gyroskoopit?
• Gyroskoopin fysiikka
• Esimerkki elite-gyroskoopeista: Hubble-teleskooppi
• Miksi Newtonin ensimmäistä lakia kutsutaan joskus "inertin laki"
• Onko inertia voima?
• Mitä kiihtyvyysanturi mittaa?

Gyroskooppi, jota usein kutsutaan vain gyroskooppiksi (ei pidä sekoittaa kreikkalaiseen ruokakääriin), ei saa paljon painetta. Mutta ilman tätä tekniikan ihmettä, maailma - ja erityisesti ihmiskunnan etsimässä muita maailmoja - olisi täysin erilainen. Gyroskoopit ovat välttämättömiä rokkeri- ja ilmailualalla, ja bonuksena on, että yksinkertainen gyroskooppi tekee loistavasta lasten lelusta.

Gyroskooppi, vaikkakin kone, jossa on paljon liikkuvia osia, on tosiasiallisesti anturi. Sen tarkoituksena on pitää pyörivän osan liikettä gyroskoopin keskellä tasaisena gyroskooppien ulkoisen ympäristön aiheuttamien voimien muutosten edessä. Ne on rakennettu siten, että näitä ulkoisia siirtymiä tasapainottavat gyroskooppien osien liikkeet, jotka aina vastustavat asetettua muutosta. Tämä ei ole toisin kuin tapa, jolla jousikuormitteinen ovi tai hiirenloukku vastustaa yrityksiäsi vetää se auki, sitä voimakkaammin, jos omat ponnistelusi lisääntyvät. Gyroskooppi on kuitenkin paljon monimutkaisempi kuin jousi.

Miksi nojaat vasemmalle, kun auto kääntyy oikealle?

Mitä tarkoittaa kokea "ulkopuolinen voima", toisin sanoen alistaa uusi voima, kun mikään uusi ei todella kosketa sinua? Mieti, mitä tapahtuu, kun olet auton matkustajan istuimella, joka on kulkenut suorassa linjassa vakionopeudella. Koska auto ei kiihdytä tai hidasta, kehosi ei koe lineaarista kiihtyvyyttä, ja koska auto ei käänny, et koe kulmakiihtyvyyttä. Koska voima on massan ja kiihtyvyyden tulos, et koe nettovoimaa näissä olosuhteissa, vaikka liikutkin nopeudella 200 mailia tunnissa. Tämä on Newtonin ensimmäisen liikettä koskevan lain mukaista, jonka mukaan levossa oleva esine pysyy levossa, ellei siihen kohdistu ulkoista voimaa, ja että myös objektiivi, joka liikkuu vakionopeudella samaan suuntaan, jatkaa tarkkaa polkuaan, ellei altistettu ulkoiselle voimalle.

Kun auto kuitenkin kääntyy oikealle, ellet tee fyysisiä ponnisteluja estääksesi kulmakiihtyvyyden äkillistä käyttöönottoa autossa, sinun tulee kaatua kuljettajaa kohti vasemmallesi. Olet siirtynyt kokematta mitään verkkovoimaa kokea voima, joka osoittaa suoraan ympyrän keskustasta, jonka auto on juuri alkanut jäljittää. Koska lyhyemmät käännökset johtavat suurempaan kulmakiihtyvyyteen tietyllä lineaarisella nopeudella, taipumuksesi nojata vasemmalle on selvempi, kun kuljettajasi kääntyy terävästi.

Oma, sosiaalisesti juurtunut käytäntösi soveltaa vain tarpeeksi anti-nojautuvaa ponnistelua pitääksesi itsesi samassa asennossa istuimellasi on samanlainen kuin gyroskoopit, vaikkakin paljon monimutkaisemmalla ja tehokkaammalla tavalla.

Gyroskoopin alkuperä

Gyroskooppi voidaan muodollisesti jäljittää 1800-luvun puoliväliin ja ranskalaisen fyysikon Leon Foucault'iin. Foucault tunnetaan ehkä paremmin heilurista, joka saa nimensä ja teki suurimman osan työstään optiikassa, mutta hän keksi laitteen, jonka avulla hän osoitti maan pyörimistä keksimällä tavan, jolla käytännössä voitaisiin peruuttaa tai eristä painovoiman vaikutukset laitteen sisimpiin osiin. Siksi tarkoitti, että kaikki muutokset gyroskooppipyörän pyörimisakselissa pyörimisaikanaan oli pitänyt antaa maan kiertoon. Niinpä avasi gyroskoopin ensimmäisen muodollisen käytön.

Mitä ovat gyroskoopit?

Gyroskoopin perusperiaate voidaan havainnollistaa pyörivän pyörän avulla erikseen. Jos pitäisit pyörää molemmilla puolilla lyhyellä akselilla, joka on sijoitettu pyörän keskelle (kuten kynä), ja joku kiertää pyörää pitäessään sitä, huomaat, että jos yrität kallistaa pyörää toiselle puolelle. , se ei menisi siihen suuntaan melkein yhtä helposti kuin se olisi, jos se ei pyöri. Tämä pätee mihin tahansa valitsemaasi suuntaan riippumatta siitä, kuinka äkillisesti liike otetaan käyttöön.

On ehkä helpointa kuvata gyroskoopin osia sisimmästä uloimpaan. Ensinnäkin, keskellä on pyörivä akseli tai kiekko (ja kun ajatellaan sitä, geometrisesti ottaen, kiekko ei ole muuta kuin hyvin lyhyt, erittäin leveä akseli). Tämä on järjestelyn raskain osa. Levyn keskipisteen läpi kulkeva akseli on kiinnitetty lähes kitkattomilla kuulalaakereilla pyöreään vanteeseen, jota kutsutaan potkuriksi. Täältä tarina tulee omituiseksi ja erittäin mielenkiintoiseksi. Tämä kiinnitysvarsi on itsessään kiinnitetty samanlaisilla kuulalaakereilla toiseen pyörätukseen, joka on vain vähän leveämpi, niin että sisäinen kiinnitysvarsi voi vain pyöriä vapaasti ulomman voimansiirton alueella. Hihnapyörien kiinnityskohdat toisiinsa ovat pitkin linjaa, joka on kohtisuora keskikiekon pyörimisakseliin nähden. Lopuksi ulkoinen kiinnitysvarsi kiinnitetään vielä sileämmin liukuvilla kuulalaakereilla kolmanteen vanteen, tämän toimiessa gyroskoopin kehyksenä.

(Sinun kannattaa tutustua gyroskoopin kaavioon tai katsoa lyhyitä videoita Resursseissa, jos sinulla ei ole sitä jo muuten; muuten tätä on lähes mahdotonta visualisoida!)

Gyroskoopin toiminnan avain on, että kolme toisiinsa kytkettyä, mutta toisistaan ​​riippumatta pyörivää vartaloa sallivat liikkumisen kolmella tasolla tai mitoilla. Jos jokin häiritsisi sisäakselin pyörimisakselia, tätä häiriötä voidaan vastustaa samanaikaisesti kaikissa kolmessa ulottuvuudessa, koska hihnapyörät "absorboivat" voiman koordinoidulla tavalla. Mikä tapahtuu olennaisesti on se, että kun kaksi sisärengasta pyörivät vasteena kaikille häiriöille, joita giroskooppi on kokenut, niiden vastaavat pyörimisakselit sijaitsevat tasossa, joka pysyy kohtisuorassa akselin pyörimisakseliin nähden. Jos tämä taso ei muutu, niin ei myöskään akselien suunta.

Gyroskoopin fysiikka

Vääntömomentti kohdistuu pyöritysakselin ympäri eikä suoraan päälle. Sillä on siten vaikutuksia pyörimisliikkeeseen kuin lineaariseen liikkeeseen. Vakioyksiköissä se on voimakertoimen "vipuvarsi" (etäisyys todellisesta tai hypoteettisesta pyörimiskeskuksesta; ajattele "säde"). Siksi sillä on N⋅m yksikköä.

Se, mitä gyroskooppi suorittaa toiminnassa, on käytettyjen vääntömomentien uudelleenjakautuminen siten, että ne eivät vaikuta keskusakselin liikkeeseen. Tässä yhteydessä on tärkeää huomata, että gyroskoopilla ei ole tarkoitus pitää jotakin liikkumassa suorassa linjassa; sen on tarkoitus pitää jotain liikkeessä vakiona kiertonopeudella. Jos mietit sitä, voit todennäköisesti kuvitella, että kuuhun tai kauempiin kohteisiin matkustavat avaruusalukset eivät kulje pisteestä pisteeseen; pikemminkin, ne käyttävät erilaisten ruumiiden käyttämää painovoimaa ja kulkevat raiteilla tai käyrillä. Temppu on varmistaa, että tämän käyrän parametrit pysyvät vakiona.

Edellä todettiin, että akselilla tai kiekolla, joka muodostaa gyroskoopin keskuksen, on taipumus olla raskas. Sillä on taipumus pyöriä myös poikkeuksellisilla nopeuksilla - esimerkiksi Hubble-teleskoopin gyroskoopit pyörittävät nopeudella 19 200 kierrosta minuutissa tai 320 sekunnissa. Pinnalla näyttää olevan järjetöntä, että tutkijat varustaisivat tällaisen herkän instrumentin imemällä hienovaraisesti vapaasti pyörivä (kirjaimellisesti) komponentti sen keskelle. Tämä on tietysti sen sijaan strateginen. Vauhti on fysiikassa yksinkertaisesti massa kertaa nopeus. Vastaavasti kulmaliike on inertia (määrä, joka sisältää massan, kuten näet alla) kertaa kulmanopeuden. Seurauksena on, että mitä nopeammin pyörä pyörii ja mitä suurempi on sen hitaus suuremman massan avulla, sitä kulmanmomentti akselilla on. Seurauksena on, että vannerenkaat ja ulkoiset gyroskooppikomponentit pystyvät mykistämään ulkoisen vääntömomentin vaikutukset ennen kuin tämä vääntömomentti saavuttaa riittävän tason häiritsemään akselien suuntausta tilassa.

Esimerkki elite-gyroskoopeista: Hubble-teleskooppi

Kuuluisa Hubble-kaukoputki sisältää kuusi erilaista gyroskooppia navigointiin, ja ne on säännöllisesti vaihdettava. Roottorin huikea pyörimisnopeus merkitsee, että kuulalaakerit ovat epäkäytännöllisiä tai mahdottomia tälle gyroskoopin kaliibrille. Sen sijaan Hubble käyttää gyroskoopeja, jotka sisältävät kaasulaakerit, jotka tarjoavat niin lähellä todella kitkaa kiertokokemusta, kuin mikä tahansa ihmisen rakentama voi ylpeillä.

Miksi Newtonin ensimmäistä lakia kutsutaan joskus "inertin laki"

Inertia on vastus nopeuden ja suunnan muutoksille riippumatta siitä, mitä ne ovat. Tämä on Isaac Newtonin vuosisatoja sitten esittämän muodollisen julistuksen yleinen versio.

Arjen kielessä "hitaus" tarkoittaa yleensä vastahakoisuutta liikkua, kuten "aioin leikata nurmikkoa, mutta hitaus piti minut kiinni sohvalla". Olisi kuitenkin omituista nähdä joku juuri 26,2 mailin maratonin päättyessä kieltäytyy lopettamasta inertian vaikutuksista johtuen, vaikka fysiikan kannalta termin käyttö tässä olisi yhtä sallittu - jos juoksija jatkoi ajamista samaan suuntaan ja samalla nopeudella, teknisesti se olisi hitaus työssä. Ja voit kuvitella tilanteita, joissa ihmiset sanovat epäonnistuneen lopettaa jonkin inertian seurauksena, kuten "Aioin poistua kasinolta, mutta hitaus piti minut menemään pöydältä pöytään". (Tässä tapauksessa "vauhti" saattaa olla parempi, mutta vain jos pelaaja voittaa!)

Onko inertia voima?

Kulmavirran yhtälö on:

L = Iω

Missä L on yksiköitä kg ⋅ m²/ S. Koska kulmanopeuden yksiköt ω ovat edestakaisia ​​sekunteja tai s-1, I, inertti, yksiköitä on kg ⋅ m². Vakiovoimayksikkö, newtoni, hajoaa kg ⋅ m / s². Siten hitaus ei ole voima. Tämä ei ole estänyt ilmausta "hitausvoima" pääsemästä valtavirran kielelle, kuten tapahtuu muiden asioiden kanssa, jotka "tuntuvat" voimina (paine on hyvä esimerkki).

Sivuhuomautus: Vaikka massa ei ole voima, paino on voima huolimatta siitä, että kahta termiä käytetään vuoroin vaihdettavasti jokapäiväisessä ympäristössä. Tämä johtuu siitä, että paino on painovoiman funktio, ja koska harvat ihmiset koskaan jättävät maapallon pitkään, Maapallon esineiden painot ovat tosiasiallisesti vakioita, kuten niiden massat ovat kirjaimellisesti vakioita.

Mitä kiihtyvyysanturi mittaa?

Kiihtyvyysanturi, kuten nimestä voi päätellä, mittaa kiihtyvyyttä, mutta vain lineaarista kiihtyvyyttä. Tämä tarkoittaa, että nämä laitteet eivät ole erityisen hyödyllisiä monissa kolmiulotteisissa gyroskooppisovelluksissa, vaikka ne ovat käteviä tilanteissa, joissa liikesuunnan voidaan katsoa tapahtuvan vain yhdessä ulottuvuudessa (esimerkiksi tyypillisessä hississä).

Kiihtyvyysanturi on erään tyyppinen inertia-anturi. Gyroskooppi on toinen, paitsi että gyroskooppi mittaa kulmakiihtyvyyttä. Ja vaikka tämän aihepiirin ulkopuolella, magneettimittari on kolmannenlainen inertia-anturi, tätä käytetään magneettikenttiin. Virtuaalitodellisuus (VR) -tuotteet yhdistävät nämä inertiaaliset anturit yhdistelmänä tuottaakseen entistä vankempia ja realistisempia kokemuksia käyttäjille.