Na čo sa gyroskopy používajú?

Obsah

• Prečo sa nakláňate smerom doľava, keď sa auto otočí doprava?
• Pôvod gyroskopu
• Čo sú gyroskopy?
• Fyzika gyroskopu
• Príklad elitných gyroskopov: Hubbleov teleskop
• Prečo sa Newtonov prvý zákon niekedy nazýva „zákon zotrvačnosti“
• Je zotrvačnosť sila?
• Čo meria akcelerometer?

Gyroskop, ktorý sa často jednoducho nazýva gyroskop (nesmie sa zamieňať s gréckym zábalom), sa príliš nezačne tlačiť. Bez tohto divu inžinierstva by však svet - a najmä ľudstvo - skúmanie iných svetov - bol zásadne odlišný. Gyroskopy sú nevyhnutné v oblasti raketovej techniky a letectva a ako bonus predstavuje jednoduchý gyroskop vynikajúcu detskú hračku.

Gyroskop, aj keď stroj s množstvom pohyblivých častí, je v skutočnosti senzorom. Jeho účelom je udržiavať pohyb rotujúcej časti v strede gyroskopu stabilne vzhľadom na zmeny síl vyvolaných vonkajším prostredím gyroskopu. Sú konštruované tak, že tieto vonkajšie posuny sú vyvážené pohybmi častí gyroskopov, ktoré vždy pôsobia proti uloženému posunu. Toto nie je na rozdiel od spôsobu, akým pružinové dvere alebo pasca na myši bránia vašim pokusom o ich otvorenie, o to dôraznejšie, ak sa zvýši vaše vlastné úsilie. Gyroskop je však oveľa zložitejší ako jar.

Prečo sa nakláňate smerom doľava, keď sa auto otočí doprava?

Čo to znamená zažiť „vonkajšiu silu“, teda podrobiť sa novej sile, keď sa vás nič nového nedotýka? Zvážte, čo sa stane, keď sa nachádzate na sedadle spolujazdca automobilu, ktorý cestoval v priamej línii konštantnou rýchlosťou. Pretože auto sa nezrýchľuje ani nespomaľuje, vaše telo nemá žiadne lineárne zrýchlenie a pretože sa neotáča, nezaznamenáte žiadne uhlové zrýchlenie. Pretože sila je výsledkom hmoty a zrýchlenia, za týchto podmienok nezažívate žiadnu čistú silu, aj keď sa pohybujete rýchlosťou 200 míľ za hodinu. Toto je v súlade s Newtonovým prvým zákonom o pohybe, ktorý uvádza, že objekt v pokoji zostane v pokoji, pokiaľ naň nebude pôsobiť vonkajšia sila, a tiež to, že objekt pohybujúci sa konštantnou rýchlosťou v rovnakom smere bude pokračovať svojou presnou cestou, pokiaľ vystavený vonkajšej sile.

Ak sa však vozidlo otočí doprava, pokiaľ nevyviniete určité fyzické úsilie, aby ste zabránili náhlemu zavedeniu uhlového zrýchlenia pri jazde autom, prevrátite sa smerom k vodičovi po vašej ľavej strane. Prešli ste od nepocítenia žiadnej čistej sily k pocíteniu sily smerujúcej priamo zo stredu kruhu, ktorý auto práve začalo vysledovať. Pretože kratšie zákruty majú za následok väčšie uhlové zrýchlenie pri danej lineárnej rýchlosti, vaša tendencia nakláňať sa doľava je výraznejšia, keď vodič prudko otočí.

Vaša vlastná, spoločensky zakorenená prax, pri ktorej sa vynakladá dostatočné úsilie proti nakláňaniu, aby ste sa udržali na rovnakom mieste vo svojom sedadle, je analogická tomu, čo robia gyroskopy, aj keď oveľa zložitejším a efektívnejším spôsobom.

Pôvod gyroskopu

Gyroskop sa dá formálne vysledovať až do polovice 19. storočia a francúzskeho fyzika Leon Foucaulta. Foucault je možno lepšie známy pre kyvadlo, ktoré má meno a robilo väčšinu svojej práce v optike, ale prišiel so zariadením, ktoré použil na demonštráciu rotácie Zeme tým, že vymyslel spôsob, ako v skutočnosti zrušiť alebo izolovať účinky gravitácie na najvnútornejšie časti zariadenia. To znamenalo, že akákoľvek zmena v osi otáčania gyroskopického kolesa v čase, keď sa točila, musela byť vyvolaná rotáciou Zeme. Rozvinul sa tak prvé formálne použitie gyroskopu.

Čo sú gyroskopy?

Základný princíp gyroskopu je možné ilustrovať izolovaným použitím točivého kolesa na bicykli. Keby ste mali držať koleso na každej strane krátkou nápravou umiestnenou cez stred kolesa (ako pero) a niekto ho otočil, zatiaľ čo ste ho držali, všimli by ste si, že ak by ste sa pokúsili prevrátiť koleso na jednu stranu , v tomto smere by to nešlo tak ľahko, ako keby sa točilo. To platí pre akýkoľvek smer podľa vášho výberu a bez ohľadu na to, ako náhle je pohyb zavedený.

Je snáď najjednoduchšie opísať časti gyroskopu od najvnútornejších k najvzdialenejším. Po prvé, v strede je otočný hriadeľ alebo disk (a keď o tom uvažujete, geometricky povedané, disk nie je nič iné ako veľmi krátky, veľmi široký hriadeľ). Toto je najťažšia súčasť usporiadania. Náprava prechádzajúca stredom disku je pripevnená guľôčkovými ložiskami takmer bez trenia na kruhový obruč nazývaný kardan. Tu je príbeh čudný a veľmi zaujímavý. Tento kardan je sám pripevnený podobnými guličkovými ložiskami k ďalšiemu kardanu, ktorý je len nepatrne širší, takže vnútorný kardan sa môže voľne otáčať vnútri hraníc vonkajšieho kardanu. Body pripevnenia kardálov k sebe sú pozdĺž priamky kolmej na os otáčania centrálneho disku. Nakoniec je vonkajší gimbal pripevnený ešte klzavejšími klznými guľkovými ložiskami k tretiemu obruču, ktorý slúži ako rám gyroskopu.

(Mali by ste nahliadnuť do diagramu gyroskopu alebo si pozerať krátke videá v materiáloch, ak už nemáte, inak to všetko je takmer nemožné vizualizovať!)

Kľúčom k funkcii gyroskopu je to, že tri vzájomne prepojené, ale nezávisle sa točiace gimbaly umožňujú pohyb v troch rovinách alebo rozmeroch. Ak by niečo mohlo potenciálne narušiť os otáčania vnútorného hriadeľa, tomuto narušeniu sa dá súčasne zabrániť vo všetkých troch rozmeroch, pretože gimbáli „koordinujú“ silu. V podstate sa stáva, že keď sa dva vnútorné krúžky otáčajú v reakcii na akékoľvek narušenie, ktoré zažil gyroskop, ich príslušné osi otáčania ležia v rovine, ktorá zostáva kolmá na os otáčania hriadeľa. Ak sa táto rovina nezmení, potom ani smer hriadeľa.

Fyzika gyroskopu

Krútiaci moment je sila pôsobiaca skôr okolo osi otáčania, nie priamo. Má teda skôr vplyv na rotačný pohyb ako na lineárny pohyb. V štandardných jednotkách je to sila krát „rameno ramena“ (vzdialenosť od skutočného alebo hypotetického stredu otáčania; premýšľajte „polomer“). Má preto jednotky N⋅m.

Gyroskop v činnosti dosahuje prerozdelenie akýchkoľvek použitých krútiacich momentov tak, aby neovplyvňovali pohyb centrálneho hriadeľa. Tu je dôležité poznamenať, že gyroskop nemá za cieľ udržiavať niečo v priamom smere; je to určené na udržanie niečoho v pohybe s konštantnou rýchlosťou otáčania, Ak o tom premýšľate, pravdepodobne si dokážete predstaviť, že kozmická loď cestujúca na Mesiac alebo do vzdialenejších cieľov nejde bod-bod; skôr využívajú gravitáciu, ktorú vyvíjajú rôzne telá, a cestujú trajektóriami alebo krivkami. Trik spočíva v tom, že parametre tejto krivky zostanú konštantné.

Vyššie bolo uvedené, že hriadeľ alebo disk, ktoré tvoria stred gyroskopu, majú tendenciu byť ťažké. Má tiež tendenciu točiť sa mimoriadnou rýchlosťou - napríklad gyroskopy na Hubble Telescope, točiť sa rýchlosťou 19 200 otáčok za minútu alebo 320 za sekundu. Na povrchu sa zdá absurdné, že vedci vybavia taký citlivý nástroj tak, že v jeho strede nasajú bezohľadne voľnú (doslova) súčasť. Namiesto toho je to, samozrejme, strategické. Vo fyzike je hybnosť jednoducho rýchlostou hromadného času. Z toho vyplýva, že moment hybnosti je zotrvačnosť (množstvo zahŕňajúce hmotnosť, ako uvidíte nižšie) krát uhlová rýchlosť. Výsledkom je, že čím rýchlejšie sa koleso točí a čím väčšia je jeho zotrvačnosť vďaka väčšej hmotnosti, tým viac hybnej sily má hriadeľ. Výsledkom je, že gimbaly a vonkajšie gyroskopické komponenty majú vysokú schopnosť tlmiť účinky vonkajšieho krútiaceho momentu predtým, ako krútiaci moment dosiahne úrovne dostatočné na narušenie orientácie hriadeľov v priestore.

Príklad elitných gyroskopov: Hubbleov teleskop

Slávny Hubble Telescope obsahuje šesť navigačných gyroskopov, ktoré je potrebné pravidelne vymieňať. Z ohromujúcej rýchlosti otáčania rotora vyplýva, že guľkové ložiská sú pre tento kaliber gyroskopu nepraktické až nemožné. Hubble namiesto toho využíva plynové ložiská s gyroskopmi, ktoré ponúkajú rotačný zážitok takmer bez trenia, ako sa môže pochváliť čokoľvek, čo sa dá vyrobiť ľuďmi.

Prečo sa Newtonov prvý zákon niekedy nazýva „zákon zotrvačnosti“

Inertia je odpor voči zmene rýchlosti a smeru, nech sú kdekoľvek. Toto je laická verzia formálneho vyhlásenia, ktoré pred storočiami ustanovil Izák Newton.

V každodennom jazyku sa „zotrvačnosť“ obvykle odvoláva na neochotu sa pohybovať, napríklad „Chcel som kosiť trávnik, ale zotrvačnosť ma držala pripnutú na gauči.“ Bolo by však zvláštne vidieť, keby niekto, kto práve dosiahol koniec 26,2 míľového maratónu, odmietol prestať pôsobiť zotrvačnosť, aj keď z fyzikálneho hľadiska by bolo použitie tohto pojmu rovnako prípustné - ak bežec pokračoval v jazde rovnakým smerom a rovnakou rýchlosťou, čo by bolo technicky pri práci zotrvačné. A viete si predstaviť situácie, v ktorých ľudia hovoria, že nedokázali prestať robiť niečo v dôsledku zotrvačnosti, napríklad: „Chcel som opustiť kasíno, ale zotrvačnosť ma neustále viedla od stolu k stolu.“ (V tomto prípade môže byť „dynamika“ lepšia, ale iba v prípade, že hráč vyhráva!)

Je zotrvačnosť sila?

Rovnica pre moment hybnosti je:

L = Iω

Ak L má jednotky v kg ⋅ m²/ S. Pretože jednotky uhlovej rýchlosti ω sú recipročné sekundy alebo s-1, má I, zotrvačná hmotnosť jednotky kg ⋅ m², Štandardná jednotka sily, newton, sa rozdelí na kg ⋅ m / s², Teda zotrvačnosť nie je sila. To nezabránilo frázi „sila zotrvačnosti“ v tom, aby vstúpila do hlavného prúdu, ako sa to deje s inými vecami, ktoré „pociťujú“ sily (tlak je dobrým príkladom).

Vedľajšia poznámka: Aj keď hmotnosť nie je sila, hmotnosť je sila napriek tomu, že sa v každodennom prostredí používajú dva pojmy zameniteľne. Je to tak preto, že váha je funkciou gravitácie a keďže len málo ľudí niekedy opustí Zem na dlhú dobu, hmotnosti objektov na Zemi sú skutočne konštantné, rovnako ako ich hmotnosti sú doslova konštantné.

Čo meria akcelerometer?

Akcelerometer, ako názov napovedá, meria zrýchlenie, ale iba lineárne zrýchlenie. To znamená, že tieto zariadenia nie sú zvlášť užitočné v mnohých trojrozmerných aplikáciách gyroskopu, aj keď sú užitočné v situáciách, keď smer pohybu môže nastať iba v jednej dimenzii (napríklad v typickom výťahu).

Akcelerometer je jeden typ inerciálneho senzora. Ďalším gyroskopom je, že gyroskop meria uhlové zrýchlenie. Magnetometer je tretím druhom inerciálneho senzora, ktorý je mimo rozsahu tejto témy a ktorý sa používa pre magnetické polia. Produkty virtuálnej reality (VR) obsahujú tieto inerciálne senzory v kombinácii, aby používateľom priniesli robustnejšie a realistickejšie zážitky.