Všeobecné

Čo sú gyroskopy, ako fungujú a aký je ich význam


Gyroskopy sú naozaj super. Na prvý pohľad sú to dosť zvláštne objekty, ktoré sa pohybujú zvláštnym spôsobom a navyše akoby „vzdorovali“ samotnej gravitácii. Vďaka veľmi zvláštnym vlastnostiam týchto zariadení sú mimo iného neoceniteľné pre navigáciu.

Gyroskopy sú v našom modernom svete všade. Nájdete ich v lietadlách, vesmírnych staniciach a vo všetkom, čo sa točí.

A sú úžasné.

Typické lietadlo bude mať často celú škálu z nich vrátane dôležitého kompasu. Vesmírna stanica Mir sa skutočne použila 11 z nich, aby ju udržali orientovanú voči slnku, plus Hubbleov ďalekohľad ich má tiež veľa.

SÚVISIACE S DANOU: Najmenší svetový optický gyroskop na svete je teraz menší ako ryža

Tu sa rýchlo pozrieme na tieto zvláštne zariadenia a ich význam pre náš moderný svet.

Aká je definícia gyroskopu?

Podľa anglického Oxfordského slovníka je gyroskop „zariadenie pozostávajúce z kolesa alebo disku pripevneného tak, aby sa mohlo rýchlo otáčať okolo osi, ktorá sa sama môže meniť v smere. Orientácia osi nie je ovplyvnená naklonením upevnenie. “

Aj keď je táto definícia skvelá, v skutočnosti nevysvetľuje, ako fungujú, alebo prečo sú také dôležité (ak sme definíciu trochu upravili). Najprv sa pozrime na ich „čudné správanie“.

Triky obchodu

Gyroskopy sú vo svojej najzákladnejšej podobe kolovrátkom / diskom na náprave. Zložitejšie príklady budú tiež namontované na kovovom ráme alebo na zostave pohyblivých alebo nepohyblivých rámov alebo závesov pre zvýšenie presnosti prístroja.

Aj keď sa na povrchu zdajú byť jednoduchými predmetmi, môžu skutočne vykonať niekoľko veľmi zvláštnych trikov.

Keď sa koleso netočí, gyroskopy sú skutočne prepracované papierové váhy. Ak sa pokúsite postaviť, zjavne to jednoducho spadne.

Ale mysleli sme si, že môžu vzdorovať gravitácii? Počkajte, roztočte to koleso a sledujte, ako sa kúzlo deje.

Možno ste sa ako deti hrali s gyroskopmi? Možno máte fidget spinner? Ak je to tak, spomeniete si, ako môžu predvádzať veľa zaujímavých trikov. Môžete napríklad balancovať na šnúrke alebo na prste, keď je v pohybe.

Ďalšou ich znateľnou vlastnosťou, ak ste ju už niekedy držali, je to, že sa bude snažiť odolať pokusom o presunutie svojej polohy.

Pri zavesení na stojan ho môžete dokonca nakloniť pod určitým uhlom a bude sa zdať, že levituje, aj keď okolo stojana. Ešte pôsobivejšie je, že môžete gyroskop zdvihnúť pomocou špagátu okolo jedného konca.

Ako fungujú gyroskopy?

Vysvetlenie tohto javu je zložité, ak ho chcete intuitívne pochopiť. Ich schopnosť zdanlivo vzdorovať gravitácii je produktom momentu hybnosti ovplyvneného krútiacim momentom na disku, napríklad gravitáciou, aby vytvorili gyroskopická precesia rotujúceho disku alebo kolesa.

Tento jav je tiež známy ako gyroskopický pohyb alebo gyroskopická sila a pre nás ľudí sa skutočne ukázal ako veľmi užitočný. Tieto pojmy označujú tendenciu rotujúceho objektu, nielen gyroskopu, udržiavať orientáciu jeho rotácie.

Rotačný objekt ako taký má moment hybnosti, ako už bolo spomenuté, a ten musí byť zachovaný. Z tohto dôvodu bude mať rotujúci objekt tendenciu odolávať akejkoľvek zmene svojej osi otáčania, pretože zmena orientácie bude mať za následok zmenu uhlového momentu.

Ďalším skvelým príkladom precesie je planéta Zem. Ako viete, rotačná os Zeme v skutočnosti leží v uhle od vertikály, ktorá vďaka svojmu uhlu sleduje kruh, keď sa rotuje samotná os rotácie.

Aj keď to nie je celkom relevantné pre tento článok, dôvod zvláštneho náklonu Zeme je skutočne dosť zaujímavý.

Tento efekt sa zvyšuje tým rýchlejšie, ako sa disk alebo koleso otáča, ako predpovedá Newtonov druhý zákon. Zdá sa to celkom zrejmé každému, kto má základné znalosti z fyziky.

Hlavným dôvodom, prečo sa zdá, že vzdorujú gravitácii, je efektívny krútiaci moment aplikovaný na otáčajúci sa disk na jeho vektor momentu hybnosti. Vplyv gravitácie na rovinu rotujúceho disku spôsobí, že sa os otáčania „vychýli“.

To vedie k tomu, že celá os otáčania nachádza „strednú cestu“ medzi vplyvom gravitácie a vlastným vektorom momentu hybnosti. Teraz nezabudnite, že prístroj gyroskopu je zastavený proti pádu smerom k ťažisku niečím, čo vám prekáža - napríklad rukou, rámom / kardanami alebo stolom.

Teraz zohľadnenie skutočnosti, že gyroskop niečím, čo bráni v páde smerom k ťažisku, vedie k fascinujúcim vlastnostiam, ktoré v týchto zariadeniach vidíme.

Obrázok - dobre natočené video - má tisíc slov, preto podrobnejšie vysvetlenie prenesieme na nasledujúce video:

Gyroskop vs. akcelerometer: Aký je rozdiel medzi nimi?

Aby sme mohli na túto otázku úplne odpovedať, musíme posúdiť, ako jednotlivé zariadenia fungujú. Pretože sme už gyroskopom podrobne popísali vyššie, pozrime sa, čo je to akcelerometer a ako funguje.

Akcelerometer je definovaný slovníkom Merriam Webster ako „prístroj na meranie zrýchlenia alebo na detekciu a meranie vibrácií“.

Skvelé, ale to nám v skutočnosti neposkytuje veľa informácií. Akcelerometre sú v ich najzákladnejšom zmysle elektromechanické zariadenia, ktoré merajú sily zrýchlenia - odtiaľ pochádza aj názov.

Tieto sily môžu byť buď statické (napríklad gravitácia), alebo dynamické (spôsobené pohybom alebo vibrovaním zariadenia). Existuje niekoľko spôsobov, ako vyrobiť akcelerometer, pričom väčšina využíva buď piezoelektrický efekt, alebo snímaciu kapacitu.

Prvé majú tendenciu pozostávať z mikroskopických kryštálových štruktúr, ktoré sú namáhané akceleračnými silami a generujú na oplátku napätie. Posledný menovaný využíva dve mikroštruktúry umiestnené vedľa seba.

Každá z nich má určitú kapacitu a keď sa akceleračné sily pohybujú v jednej zo štruktúr, jej kapacita sa zmení. Pridaním niektorých obvodov na prevod z kapacity na napätie získate veľmi užitočný malý akcelerometer.

Existuje ešte viac metód, napríklad použitie piezorezistívneho javu, horúcich vzduchových bublín a svetla. Ako teda vidíte, akcelerometre a gyroskopy sú skutočne veľmi odlišné zvieratá.

V zásade hlavný rozdiel medzi nimi spočíva v tom, že jeden dokáže vnímať rotáciu, zatiaľ čo druhý nie. Pretože gyroskopy pracujú na princípe momentu hybnosti, sú ideálne na pomoc pri indikácii orientácie objektu v priestore.

Akcelerometre sú naopak schopné merať lineárne zrýchlenie iba na základe vibrácií.

Existujú však niektoré variácie akcelerometra, ktoré tiež obsahujú gyroskop. Tieto zariadenia pozostávajú z gyroskopu s hmotnosťou jednej z jeho osí.

Zariadenie bude reagovať na silu generovanú váhou, keď sa zrýchli, integráciou tejto sily za účelom vytvorenia rýchlosti.

Čo sú to optické gyroskopy?

Ďalšou formou gyroskopu je optický gyroskop. Toto zariadenie nemá žiadne pohyblivé časti a bežne sa používa v moderných komerčných jetlineroch, podporných raketách a na obežných satelitoch.

Tieto zariadenia využívajú výhody niečoho, čo sa volá Sagnacov jav, a využívajú lúče svetla na zabezpečenie podobnej funkcie ako mechanické gyroskopy. Účinok prvýkrát demonštroval v roku 1911 Franz Harris, ale bol to francúzsky vedec Georges Sagnac, ktorý správne identifikoval príčinu.

Ak je lúč svetla rozdelený a vysiela sa v dvoch opačných smeroch okolo uzavretej cesty na otočnej plošine so zrkadlami po jeho obvode, a potom sa lúče rekombinujú, prejavia sa interferenčné účinky. V roku 1913 Sagnac dospel k záveru, že svetlo sa šíri rýchlosťou nezávislou od rýchlosti zdroja.

Objavil tiež, že napriek tomu, že obidva lúče sú v uzavretej slučke, lúč prichádzajúci rovnakým smerom otáčania dorazil do východiskového bodu o niečo neskôr ako druhý.

Podľa Encyclopedia Britannica „ako výsledok bol zistený vzorec„ okrajového rušenia “(alternatívne pásy svetla a tmy), ktorý závisel od presnej rýchlosti otáčania otočného taniera“.

Pravidlo pravej ruky

Vedci majú tendenciu na vizualizáciu používať takzvané „pravidlo pravej ruky“.

Za týmto účelom vezmite pravú ruku a urobte pravý uhol. Potom môžete roztiahnuť prsty pozdĺž polomeru kolesa.

Ak pokrčíte koniec prstov v smere rotácie, palec bude smerovať v smere momentu hybnosti. Os bude v zásade predstavovať smer, ktorým sa „chce“ pohnúť celé točiace sa koleso.

Toto video nám poskytuje celkom jednoduché vysvetlenie pomocou zaveseného kolesa bicykla.

Aplikácie gyroskopov

Zaujímavé vlastnosti gyroskopov poskytli vedcom a inžinierom niekoľko fascinujúcich aplikácií. Ich schopnosť udržiavať určitú orientáciu v priestore je pre niektoré aplikácie fantastická.

Klepnite na niektoré senzory a máte recept na užitočnosť. Z tohto dôvodu uvádzame niekoľko skvelých príkladov použitia gyroskopov v našom modernom svete.

1. V lietadle nájdete veľa gyroskopov

V moderných lietadlách inerciálne vodiace systémy tieto relatívne jednoduché zariadenia dobre využívajú. Majú sadu rotujúcich gyroskopov na sledovanie a kontrolu orientácie lietadla za letu. Rotujúce gyroskopy sú držané v špeciálnych klietkach, ktoré im umožňujú udržiavať svoju orientáciu bez ohľadu na orientáciu lietadla.

Klietky gyroskopu majú elektrické kontakty a snímače, ktoré môžu odovzdávať informácie pilotovi, kedykoľvek sa lietadlo nakloní alebo nakloní. Toto umožňuje pilotnému a navádzaciemu systému „poznať“ aktuálnu relatívnu orientáciu lietadla v priestore.

2. Mars Rover má tiež niekoľko gyroskopov

Mars Rover má tiež sadu gyroskopov. Poskytujú Roveru stabilitu a pomoc pri navigácii. Majú tiež uplatnenie v bezpilotných lietadlách a vrtuľníkoch, pri zabezpečovaní stability a pomoci pri navigácii.

3. Výletné a balistické rakety používajú tiež gyroskopy

Ďalšou zaujímavou aplikáciou gyroskopov sú systémy riadenia výletných a balistických rakiet. Senzory gyroskopu, ktoré sa používajú na automatické riadenie a korekciu náklonu, stúpania a vybočenia, sa na tento účel používajú už od nemeckých rakiet V-1 a V-2 z druhej svetovej vojny.

Rakety na tento účel zvyčajne nesú najmenej dva gyroskopy, pričom každý gyroskop poskytuje pevnú referenčnú čiaru, z ktorej je možné vypočítať akékoľvek odchýlky. Jeden z odkazov má tendenciu zahŕňať os rotácie vertikálneho gyroskopu.

Z tejto osi možno ľahko merať odchýlky výšky tónu, naklonenia a vybočenia. Gyroskopy si našli cestu aj do stabilizátorov zameriavačov, bombových zameriavačov a platforiem na prenášanie zbraní a radarových systémov na palube vojnových lodí.

4. Gyroskopy možno nájsť aj v orbitálnych kozmických lodiach

Ďalšou zaujímavou aplikáciou gyroskopov sú inerciálne vodiace systémy orbitálnych kozmických lodí. Takéto malé plavidlo vyžaduje vysokú mieru presnosti, pokiaľ ide o stabilizáciu, a gyroskopy sú na túto prácu ideálne.

Existujú niektoré väčšie a ťažšie zariadenia, nazývané hybné kolesá alebo reakčné kolesá, ktoré sa tiež používajú na riadenie nadmorskej výšky niektorých väčších satelitov.

5. Časť Hviezdnych vojen: Návrat Jediov sa natáčala pomocou gyroskopov

Na natáčanie určitých scén vo filme bolo použité zariadenie nazývané „Steadicam“ Star Wars: The Return of the Jedi (rovnako ako v mnohých iných filmoch). Toto zariadenie, použité v spojení s niekoľkými gyroskopmi, držalo fotoaparát stabilne pri natáčaní záberov na pozadí známej rýchlej cyklistickej honičky na Endore.

Vynašiel ho Garrett Brown a ovládal vrtné zariadenie tak, aby prešiel lesom sekvoja, na ktorom bežala kamera jeden snímok za sekundu. Keď boli zábery zrýchlené na 24 snímok za sekundu, budilo to dojem rýchlej cesty medzi stromami.

Dnes sú potomkovia Steadicamu spoločnou črtou mnohých filmových produkcií.

6. Váš telefón môže mať iba jeden

Gyroskopy si tiež v posledných rokoch našli cestu k rôznym spotrebným produktom. Ich zahrnutie do vreckových zariadení, napríklad inteligentných telefónov, umožňuje veľmi presný spôsob určovania pohybu v 3D priestore.

Gyroskopy sa v moderných smartfónoch zvyčajne kombinujú s akcelerometrami, aby poskytovali vynikajúce smerové a pohybové snímanie. Pozoruhodné príklady zahŕňajú Samsung Galaxy Note 4, HTC Titan, iPhone 5s atď.

Moderné herné konzoly tiež zvyknú obsahovať určitú formu gyroskopu. Od Wii Remote až po rôzne periférie Playstation 3 a 4 gyroskopy otvorili úplne nový spôsob hrania počítačových hier.

7. Aby sme nezabudli na drony

Ešte jedna zaujímavá aplikácia gyroskopov v našom každodennom živote je v dronoch. Na to, aby tieto zariadenia lietali perfektne, sú okrem iného potrebné aj gyroskopy, ktoré umožňujú pohybovať sa a lietať na úrovni.

Moderné komerčné drony majú tendenciu používať troj a šesťosové gyroskopické stabilizátory na poskytovanie navigačných informácií letovému ovládaču, čo umožňuje ľahšie a bezpečnejšie lietanie dronmi.

A to je všetko.

Napriek svojej jednoduchosti v dizajne sa stali základnou súčasťou súpravy pre všetko od zaoceánskych lodí až po raketoplán a samozrejme pre vrtuľníky.

Gyroskopy sú celkovo neuveriteľné, aj keď si neuvedomujete, že tam sú. Úžasné si myslieť, že také jednoduché zariadenie môže mať také zaujímavé a rozmanité aplikácie.

Aj keď sú relatívne jednoduché zariadenia, majú fantastické vlastnosti, ktoré vedci a inžinieri využili na to, aby náš svet bol o niečo lepší.

Ak tento článok podnietil vašu fantáziu a chcete svoj vlastný gyroskop, môžete si vybrať z mnohých online predajcov. Ako by si na Zemi mohol odmietnuť?


Pozri si video: Banned TED Talk: The Science Delusion - Rupert Sheldrake at TEDx Whitechapel (November 2021).