Sådan fungerer gyroskoper

Gyroskoper kan være meget forvirrende objekter, fordi de bevæger sig på særegne måder og endda synes at trodse tyngdekraften. Disse særlige egenskaber gør gyroskoper ekstremt vigtige i alt fra din cykel til det avancerede navigationssystem på rumfærgen. Et typisk fly bruger omkring et dusin gyroskoper i alt fra sit kompas til sin autopilot. Den russiske Mir -rumstation brugte 11 gyroskoper til at holde sin orientering mod solen, og Hubble -rumteleskopet har også et parti navigationsgyroer. Gyroskopiske effekter er også centrale for ting som yo-yos og frisbees!

I denne udgave af HowStuffWorks , vi vil se på gyroskoper for at forstå, hvorfor de er så nyttige mange steder. Du vil også komme til at se årsagen til deres meget mærkelige opførsel!

Indhold

1. Præcession
2. Årsagen til recession
3. Anvendelser af gyroskoper

Præcession

Klik her for at downloade den 30-sekunders video i fuld bevægelse, der viser presession på arbejdet. (1,7 MB)

Hvis du nogensinde har spillet med legetøjsgyroskoper, du ved, at de kan udføre alle mulige interessante tricks. De kan balancere på snor eller en finger; de kan modstå bevægelse om spinaksen på meget ulige måder; men den mest interessante effekt kaldes presession . Dette er den tyngdekraftsbekæmpende del af et gyroskop. Den følgende video viser effekterne af prækession ved hjælp af et cykelhjul som en gyro:

Det mest fantastiske afsnit af videoen, og også det der er utroligt ved gyroskoper, er den del, hvor det gyroskopiske cykelhjul kan hænge i luften sådan:

Et gyroskops evne til at "trodse tyngdekraften" er forvirrende!

Hvordan kan den gøre det?

Denne mystiske effekt er presession. I det generelle tilfælde, recession fungerer sådan:Hvis du har et roterende gyroskop, og du forsøger at rotere dets spin -akse, gyroskopet vil i stedet forsøge at rotere om en akse i vinkel på din kraftakse, sådan her:

I figur 1, gyroskopet snurrer på sin akse. I figur 2, en kraft påføres for at forsøge at rotere spinaksen. I figur 3, gyroskopet reagerer på inputkraften langs en akse vinkelret på inputkraften.

Så hvorfor sker presession?

Årsagen til recession

Når kræfter påføres akslen, de to identificerede punkter vil forsøge at bevæge sig i de angivne retninger.

Hvorfor skulle et gyroskop vise denne adfærd? Det virker totalt useriøst, at cykelhjulets aksel kan hænge i luften sådan. Hvis du tænker på, hvad der rent faktisk sker med de forskellige dele af gyroskopet, mens det roterer, imidlertid, du kan se, at denne adfærd er helt normal!

Lad os se på to små sektioner af gyroskopet, mens det roterer - toppen og bunden, sådan her:

Når kraften påføres akslen, sektionen øverst på gyroskopet vil forsøge at bevæge sig til venstre, og sektionen i bunden af ​​gyroskopet vil forsøge at bevæge sig til højre, som vist. Hvis gyroskopet ikke drejer rundt, så klapper hjulet over, som vist i videoen på den forrige side. Hvis gyroskopet drejer rundt, tænk over, hvad der sker med disse to sektioner af gyroskopet: Newtons første lov om bevægelse siger, at et legeme i bevægelse fortsætter med at bevæge sig med en konstant hastighed langs en lige linje, medmindre det påvirkes af en ubalanceret kraft. Så det øverste punkt på gyroskopet påvirkes af den kraft, der påføres akslen og begynder at bevæge sig mod venstre. Det forsøger at bevæge sig til venstre på grund af Newtons første bevægelseslov, men gyroens rotation drejer det, sådan her:

Når de to punkter roterer, de fortsætter deres bevægelse.

Denne effekt er årsag til recession. De forskellige dele af gyroskopet modtager kræfter på et tidspunkt, men roterer derefter til nye positioner! Når sektionen øverst på gyroen roterer 90 grader til siden, den fortsætter i sit ønske om at bevæge sig til venstre. Det samme gælder sektionen i bunden - den roterer 90 grader til siden, og den fortsætter i sit ønske om at bevæge sig til højre. Disse kræfter roterer hjulet i recessionens retning. Da de identificerede punkter fortsætter med at rotere 90 grader mere, deres oprindelige bevægelser annulleres. Så gyroskopets aksel hænger i luften og foregår. Når du ser på det på denne måde, kan du se, at presession slet ikke er mystisk - det er helt i overensstemmelse med fysikkens love!

Anvendelser af gyroskoper

Virkningen af ​​alt dette er, at når du drejer et gyroskop, dens aksel vil blive ved med at pege i samme retning. Hvis du monterer gyroskopet i et sæt af gimbals så den kan fortsætte med at pege i samme retning, det vil. Dette er grundlaget for gyro-kompas .

Hvis du monterer to gyroskoper med deres aksler vinkelret på hinanden på en platform, og placer platformen inde i et sæt gimbals, platformen vil forblive helt stiv, når gimbalerne roterer på enhver måde, de vil. Dette er dette grundlag for inertialnavigationssystemer (INS).

I et INS, sensorer på gimbalernes aksler registrerer, når platformen roterer. INS bruger disse signaler til at forstå køretøjets rotationer i forhold til platformen. Hvis du tilføjer til platformen et sæt med tre følsomme accelerometre , du kan fortælle præcist, hvor køretøjet er på vej hen, og hvordan dets bevægelse ændrer sig i alle tre retninger. Med disse oplysninger, et flys autopilot kan holde flyet på kurs, og en rakets styresystem kan indsætte raketten i en ønsket bane!

For mere information om gyroskoper og deres applikationer, tjek linkene på den næste side!

Ofte stillede spørgsmål om Gyroskop

Hvad bruges et gyroskop til?

Gyroskoper er indbygget i kompasser på skibe og fly, styremekanismen i torpedoer, og styresystemerne installeret i ballistiske missiler og kredsende satellitter blandt andre steder.

Hvorfor trodser gyroskoper tyngdekraften?

De kan synes at trodse tyngdekraften, men det gør de ikke. Denne effekt skyldes bevarelsen af ​​vinkelmomentet.

Hvad er den gyroskopiske effekt?

Denne effekt refererer til den måde, et roterende objekt ønsker at bevare aksen for dens rotation.

Masser mere information

Relaterede HowStuffWorks -artikler

• Sådan fungerer kompasser
• Sådan fungerer Yo-Yos
• Sådan fungerer Boomerangs
• Sådan fungerer Segways
• Sådan fungerer ubåde
• Sådan fungerer rumfærger

Flere store links

• Bevægelseslove - rul ned til "Gyroskoper"
• Bevægelse - rul ned til "Cykelhjul -gyroskop"
• Sådan fungerer et gyroskop
• Cykelhjul Gyro
• NASA:Vejledning, Navigation og kontrol - se "Trægmåleenheder"
• Vejledning og kontrolsystemer - fremragende eksperimenter inden for modelraketstyring og vejledning!
• Uvanlige vægtmålinger af et legetøjsgyroskop
• Mikromaskineret roterende gyroskop
• Navigationssystemer:Gyrokompass
• Gyroskopet afmystificeret - Sådan fungerer det