gyroskopet kan vara ett förbryllande föremål eftersom det rör sig på konstiga sätt och till och med verkar trotsa gravitationen. Dessa speciella egenskaper är anledningen till att gyroskop finns i en rad maskiner, inklusive cykeln och det avancerade navigationssystemet på rymdfärjan.
Ett typiskt flygplan använder ett dussintal gyroskop i allt från sin kompass till sin autopilot. Till exempel använde den ryska rymdstationen Mir 11 gyroskop för att hålla sin orientering mot solen, och rymdteleskopet Hubble har också ett parti navigationsgyron. Gyroskopiska effekter är också centrala för leksaker som jojo och frisbees.
Låt oss ta en djupare titt på den här enheten för att bättre förstå varför den är så användbar och mångsidig i en mängd tekniska tillämpningar.
InnehållEtt gyroskop är en mekanisk eller elektronisk anordning som använder principen om rörelsemängd för att bibehålla sin orientering i förhållande till jordens axel eller motstå förändringar i dess orientering. Ett gyroskop består vanligtvis av en snurrande rötor, som ger vinkelmoment, och en uppsättning kardan eller svängbara stöd.
Varje gyroskop är byggt kring en eller flera axlar, som fungerar som ett grundläggande element i enhetens konstruktion. Spinnaxeln är ofta i linje med Z-axeln, vilket gör att den gyroskopiska rotorn kan rotera fritt, vilket är avgörande för enhetens funktion. Huset eller ramen, tillsammans med lager, ger strukturellt stöd och skyddar de inre komponenterna.
Medan enaxliga gyroskop bara har en primär rotationsaxel, är andra, som treaxliga gyroskop, utformade för att mäta rörelse- och orienteringsförändringar längs alla tre rumsaxlarna:X, Y och Z. Det specifika antalet och orienteringen av dessa axlar kan variera beroende på gyroskopets design och avsedda användning.
Tänk på ett enaxligt gyroskop som en gungbräda som bara går fram och tillbaka. Den kan bara mäta eller svara på rörelse i en riktning. Å andra sidan är ett treaxligt gyroskop som en snurrande topp som du kan flytta i vilken riktning som helst:framåt och bakåt (X-axeln), sida till sida (Y-axeln) och även i en snurrande rörelse som en topp ( Z-axeln).
Nu kanske du undrar vad någon av dessa enheter har att göra med jorden och dess axel. Sambandet mellan de två kan hittas i begreppet gyroskopisk stabilitet. Planeten fungerar som ett kolossalt gyroskop eftersom den roterar runt sin axel. Denna rotation ger jorden en egenskap som kallas vinkelmoment, vilket betyder att den vill fortsätta snurra i samma riktning.
Gyroskop, å andra sidan, är enheter utformade för att behålla sin orientering i rymden genom att utnyttja principerna för rotationsrörelse (även kallad rotationsrörelse). De har en roterande rotor som motstår förändringar i dess axel.
När de utsätts för yttre krafter, uppvisar gyroskop ett beteende som kallas precession, där deras axel gradvis ändrar riktning snarare än att omedelbart luta. (Vi ska titta närmare på detta beteende om en stund.)
Gyroskop efterliknar i huvudsak jordens stabilitet i dess rotation, vilket är anledningen till att ingenjörer och forskare kan använda dessa enheter för att uppnå exakt och stadig rörelse eller orientering i allt från navigationssystem till rymdfarkoster.
Det finns bara en jord – såvida du inte bor i en serietidningsmultivers – men det finns många typer av gyroskop, var och en skräddarsydd för specifika applikationer:
Om du någonsin har lekt med leksaksgyroskop vet du att de kan utföra alla möjliga intressanta trick. De kan balansera på ett snöre eller ett finger och motstå rörelser kring spinnaxeln på mycket udda sätt, men den mest intressanta effekten kallas gyroskopisk precession. Detta är den gravitationstrotande delen av ett gyroskop. Den här 30-sekunders långa videon visar effekterna av precession, med hjälp av ett cykelhjul som gyro.
Den mest fantastiska delen av videon är utan tvekan delen där det gyroskopiska cykelhjulet kan hänga i luften så här:
Hur kan den göra det?
Denna mystiska effekt är precession.
I allmänhet fungerar precession så här:Om du har ett snurrande gyroskop och försöker ändra orienteringen på dess spinnaxel, kommer enheten att svara genom att ändra dess orientering längs en annan axel som är vinkelrät (i rät vinkel) mot din axel. applicerad kraft.
Så varför inträffar precession?
Titta på illustrationen av tre snurrande hjul:
Varför visar ett gyroskop detta beteende? Det verkar helt orimligt 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, kan du dock se att detta beteende är helt normalt.
Låt oss titta på två små sektioner av gyroskopet när det roterar — toppen och botten — så här:
Så den översta punkten på gyroskopet påverkas av kraften som appliceras på axeln och börjar röra sig åt vänster. Den fortsätter att försöka röra sig åt vänster på grund av Newtons första rörelselag, men gyrots snurrande roterar den.
Denna effekt är orsaken till precession. De olika sektionerna av gyroskopet tar emot krafter vid en punkt men roterar sedan till nya positioner! När sektionen längst upp på gyrot roterar 90 grader åt sidan, fortsätter den i sin önskan att röra sig åt vänster.
Detsamma gäller för sektionen längst ner:Den roterar 90 grader åt sidan och fortsätter i sin önskan att röra sig åt höger. Dessa krafter roterar hjulet i precessionsriktningen.
När de identifierade punkterna fortsätter att rotera ytterligare 90 grader upphävs deras ursprungliga rörelser. Så gyroskopets axel hänger i luften och precesserar. När du tittar på det på det här sättet kan du se att precession inte alls är mystiskt – det är helt i linje med fysikens lagar.
Effekten av allt detta är att när du snurrar ett gyroskop, vill dess axel fortsätta peka i samma riktning. Om du monterar gyroskopet i en uppsättning kardaner så att det kan fortsätta peka åt samma håll kommer det att göra det. Detta är grunden för gyrokompassen.
Om du monterar två gyroskop med sina axlar i rät vinkel mot varandra på en plattform och placerar plattformen inuti en uppsättning kardaner, kommer plattformen att förbli helt stel när kardanerna roterar hur de vill. Detta är grunden för tröghetsnavigeringssystem (INS).
I en INS detekterar sensorer på kardansaxlarna när plattformen roterar. INS använder dessa signaler för att förstå fordonets rotationer i förhållande till plattformen. Om du lägger till en uppsättning av tre känsliga accelerometrar till plattformen kan du se exakt vart fordonet är på väg och hur dess rörelse förändras i alla tre riktningarna.
Med denna information kan ett flygplans autopilot hålla planet på kurs, och en rakets styrsystem kan styra raketen in i en önskad bana.
Nu är det intressantLéon Foucaults banbrytande arbete med gyroskopet på 1800-talet revolutionerade vår förståelse av jordens rotation. Foucault hängde upp ett stort gyroskop från en tunn tråd och visade upp dess anmärkningsvärda egenskap att behålla sin rotationsaxel trots jordens rörelse. När jorden vände sig under den ändrade gyroskopets axel långsamt riktning, vilket ger påtagliga bevis på jordens rotation. Denna Foucault-pendel blev en ikonisk vetenskaplig demonstration som lyfte fram samspelet mellan fysik och astronomi.
Den här artikeln har uppdaterats i samband med AI-teknik, sedan faktagranskad och redigerad av en HowStuffWorks-redaktör.
