Czym jest żyroskop?
Żyroskop to przyrząd, który służy do utrzymania lub zachowania orientacji i prędkości kątowej obiektu. Wykorzystuje on w tym celu zasadę zachowania orientacji momentu pędu. Wyposażony w swobodnie obracający się dysk, żyroskop może przyjmować wszystkie możliwe orientacje, zachowując jednocześnie niezmienną oś obrotu.
W rzeczywistości, gdy tarcza obrotowa żyroskopu obraca się, oś obrotu przyrządu pozostaje stabilna, nawet na nachylonej podstawie. W miarę jak tarcza nabiera prędkości, moment pędu również staje się znaczny, stabilizując w ten sposób żyroskop i obiekt, w którym się znajduje.
Ruch precesji
Podczas pełnego obrotu, gdyby na oś zadziałała jakaś siła, żyroskop straciłby równowagę. Oś porusza się wolniej, wykonując ruch stożkowy zwany ruchem precesji. Żyroskop nadal się obraca, ale nie przewraca się.
Żyroskop a pęd kinetyczny
W fizyce i mechanice klasycznej żyroskop i pęd kinetyczny są ze sobą nierozerwalnie związane. Podczas gdy pierwszy z nich oznacza mechanizm służący do obserwacji obrotu i położenia kątowego, drugi jest wielkością wektorową wykorzystywaną do zachowania tego samego obrotu. Dowiedz się tutaj wszystkiego, co trzeba wiedzieć o żyroskopie i pędzie kinetycznym.
Moment pędu
Moment pędu, zwany również momentem kątowym, jest wielkością wektorową, która ma ten sam kierunek i ten sam sens co prędkość kątowa. Aby było to możliwe, oś obrotu obiektu musi być jednocześnie jego osią symetrii.
Z punktu materialnego M do punktu O moment kinetyczny jest równy momentowi pędu względem punktu O, zgodnie z Wikipedią. Gdy moment kinetyczny nie ulega zmianie, oś obrotu pozostaje stabilna. Jest to zachowanie momentu kinetycznego lub efekt żyroskopowy.
Efekt żyroskopowy
Aby konkretnie zrozumieć ten mechanizm, weź koło rowerowe. Trzymaj je na wyciągniętej ręce za nakrętki piasty. Poproś kogoś, aby szybko zakręcił kołem. Jeśli spróbujesz pochylić się w stronę obracającego się koła, poczujesz opór. To właśnie zachowanie momentu obrotowego przeciwdziała temu ruchowi. To właśnie efekt żyroskopowy pozwala utrzymać to koło w równowadze. Należy zauważyć, że efekt żyroskopowy wzrasta wraz z prędkością obrotową.
Historia żyroskopu
Pierwszy trójosiowy żyroskop wynalazł Léon Foucault w 1852 roku. Jest on znany jako twórca wahadła Foucaulta. Podczas eksperymentu dotyczącego ruchu obrotowego Ziemi Foucault zauważył, że jego wahadło obraca się wolniej w porównaniu z ruchem obrotowym Ziemi. Eksperyment ten skłonił go do zaprojektowania przyrządu zdolnego do utrzymania szybkiego obrotu przez dość długi czas. Wraz ze swoim współpracownikiem Formentem stworzył żyroskop. Zauważył również, że ten nowy przyrząd był w stanie wskazywać północ i ustawiać się wzdłuż południka. Nazwał go kompasem żyroskopowym.
Pod koniec XIX wieku pojawiły się pierwsze żyroskopy z napędem silnikowym. Kompasy żyroskopowe są obecnie wykorzystywane do wskazywania północy geograficznej, a nie magnetycznej. Zastąpiły one również kompasy stosowane na statkach. Od XX wieku kompasy żyroskopowe znalazły zastosowanie w uzbrojeniu wojskowym.
Obecnie żyroskopy są również wykorzystywane do zapewnienia stabilności urządzeń elektronicznych. Można je znaleźć w zegarkach, ale także w smartfonach, gdzie występują w postaci mikroelektromechanicznych systemów inercyjnych.
Elementy składowe żyroskopu
Żyroskop mechaniczny składa się zasadniczo z następujących elementów:
- obracający się dysk w środku. W środku tego dysku znajduje się środek ciężkości żyroskopu, bez którego przyrząd nie może działać.
- oś obrotu, która przechodzi przez środek tarczy i jest skierowana w dowolnym kierunku.
- Trzy przeguby kardanowe (obrotowe wsporniki, które umożliwiają obrót obiektu wokół jednej osi), dzięki którym powstaje żyroskop trójosiowy:
- Pierwszy z nich jest przymocowany do osi za pomocą łożysk kulkowych.
- Drugi zamocowany do osi wewnętrznej
- Trzeci zamocowany do ramy zewnętrznej
Zastosowania żyroskopu
Żyroskop jest obecnie wykorzystywany w wielu dziedzinach poza fizyką, a także w licznych sektorach (przemysł, lotnictwo, przemysł naftowy itp.). Znajduje zastosowanie w:
- Naprowadzanie torped i pocisków
- Koordynacji lub sygnalizacji skrętu w samolocie
- Produkcji niektórych przedmiotów antystresowych, takich jak bączki, jojo, vortecony czy spinnery
- Stabilizacji kamery podczas filmowania obiektu w ruchu
- Budowa motocykli, rowerów lub pojazdów dwukołowych utrzymujących równowagę
- Budowa zdalnie sterowanych helikopterów i wiele innych
Ponadto przyrząd ten jest również wykorzystywany w stacjach kosmicznych, na pokładzie teleskopu kosmicznego Hubble’a oraz w wielu innych dziedzinach zarezerwowanych dla ekspertów w dziedzinie fizyki.