Gyroskop kan vara mycket förvirrande objekt eftersom de rör sig på säregna sätt och till och med tycks trotsa gravitationen. Dessa speciella egenskaper gör gyroskop extremt viktiga i allt från din cykel till det avancerade navigationssystemet på rymdfärjan. Ett typiskt flygplan använder ungefär ett dussin gyroskop i allt från sin kompass till sin autopilot. Den ryska rymdstationen Mir använde 11 gyroskop för att hålla sin orientering mot solen, och rymdteleskopet Hubble har också en rad navigationsgyros. Gyroskopiska effekter är också centrala för saker som jojo och frisbees!
I denna upplaga av Hur saker fungerar , Vi kommer att titta på gyroskop för att förstå varför de är så användbara på så många olika platser. Du kommer också att se orsaken bakom deras mycket udda beteende!
Innehåll
Klicka här för att ladda ner 30-sekunders full-motion video som visar precession på jobbet. (1,7 MB) Om du någonsin har lekt med leksaksgyroskop, du vet att de kan utföra alla möjliga intressanta knep. De kan balansera på sträng eller ett finger; de kan motstå rörelse kring snurraxeln på mycket udda sätt; men den mest intressanta effekten kallas precession . Detta är den tyngdkraftsbekämpande delen av ett gyroskop. Följande video visar effekterna av presession med ett cykelhjul som gyro:
Den mest fantastiska delen av videon, och också det som är otroligt med gyroskop, är den del där det gyroskopiska cykelhjulet kan hänga i luften så här:
Gyroskopets förmåga att "trotsa gravitationen" är förbluffande! Hur kan den göra det?
Denna mystiska effekt är precession. I det allmänna fallet, precession fungerar så här:Om du har ett snurrande gyroskop och du försöker rotera dess snurraxel, gyroskopet kommer istället att försöka rotera runt en axel i rät vinkel mot din kraftaxel, så här:
I figur 1, gyroskopet snurrar på sin axel. I figur 2, en kraft appliceras för att försöka rotera spinnaxeln. I figur 3, gyroskopet reagerar på ingångskraften längs en axel vinkelrätt mot ingångskraften. Så varför sker precession?
När krafter appliceras på axeln, de två identifierade punkterna kommer att försöka röra sig i de angivna riktningarna. Varför ska ett gyroskop visa detta beteende? Det verkar helt meningslöst att cykelhjulets axel kan hänga i luften så. Om du tänker på vad som faktiskt händer med de olika delarna av gyroskopet när det roterar, dock, du kan se att detta beteende är helt normalt!
Låt oss titta på två små delar av gyroskopet när det roterar - toppen och botten, så här:
När kraften appliceras på axeln, sektionen överst i gyroskopet försöker flytta till vänster, och sektionen längst ner i gyroskopet kommer att försöka flytta till höger, som visat. Om gyroskopet inte snurrar, då floppar hjulet, som visas i videon på föregående sida. Om gyroskopet snurrar, tänk på vad som händer med dessa två delar av gyroskopet: Newtons första rörelselag säger att en kropp i rörelse fortsätter att röra sig med en konstant hastighet längs en rak linje om den inte påverkas av en obalanserad kraft. Så toppunkten på gyroskopet påverkas av kraften som appliceras på axeln och börjar röra sig mot vänster. Den fortsätter att försöka röra sig åt vänster på grund av Newtons första rörelselag, men gyrons spinning roterar den, så här:
När de två punkterna roterar, de fortsätter sin rörelse. Denna effekt är orsaken till precession. De olika delarna av gyroskopet tar emot krafter vid ett tillfälle men roterar sedan till nya positioner! När sektionen högst upp på gyroen roterar 90 grader åt sidan, den fortsätter i sin önskan att flytta till vänster. Detsamma gäller för sektionen längst ner - den roterar 90 grader åt sidan och den fortsätter i sin önskan att flytta till höger. Dessa krafter roterar hjulet i precisionsriktningen. När de identifierade punkterna fortsätter att rotera 90 grader till, deras ursprungliga rörelser avbryts. Så gyroskopets axel hänger i luften och föregår. När du tittar på det på det här sättet kan du se att presession inte alls är mystisk - det är helt i linje med fysikens lagar!
Effekten av allt detta är att, när du snurrar ett gyroskop, dess axel vill fortsätta peka i samma riktning. Om du monterar gyroskopet i en uppsättning av gimbals så att den kan fortsätta peka åt samma håll, Det kommer. Detta är grunden för gyrokompass .
Om du monterar två gyroskop med sina axlar i rät vinkel mot varandra på en plattform, och placera plattformen inuti en uppsättning kardborre, plattformen kommer att förbli helt stel när gimbalerna roterar på vilket sätt de vill. Detta är denna grund för tröghetsnavigationssystem (INS).
I ett INS, sensorer på gimbalernas axlar detekterar när plattformen roterar. INS använder dessa signaler för att förstå fordonets rotationer i förhållande till plattformen. Om du lägger till plattformen en uppsättning av tre känsliga accelerometrar , du kan berätta exakt var fordonet är på väg och hur dess rörelse förändras i alla tre riktningarna. Med denna information, ett flygplans autopilot kan hålla planet på kurs, och en rakets styrsystem kan sätta in raketen i en önskad bana!
För mer information om gyroskop och deras applikationer, kolla in länkarna på nästa sida!
