Sådan fungerer gyroskopet

gyroskopet kan være et forvirrende objekt, fordi det bevæger sig på ejendommelige måder og endda synes at trodse tyngdekraften. Disse særlige egenskaber er grunden til, at gyroskoper kan findes i en række maskiner, inklusive cyklen og det avancerede navigationssystem på rumfærgen.

Et typisk fly bruger omkring et dusin gyroskoper i alt fra dets kompas til dets autopilot. For eksempel brugte den russiske rumstation Mir 11 gyroskoper til at holde sin orientering mod solen, og Hubble-rumteleskopet har også et parti navigationsgyroer. Gyroskopiske effekter er også centrale for legetøj som yo-yos og frisbees.

Lad os tage et dybere kig på denne enhed for bedre at forstå, hvorfor den er så nyttig og alsidig i et væld af teknologiske applikationer.

1. Hvad er et gyroskop?
2. Typer af gyroskoper
3. Præcession
4. Årsagen til præcession
5. Gyroskopanvendelser

Hvad er et gyroskop?

Et gyroskop er en mekanisk eller elektronisk enhed, der bruger princippet om vinkelmoment til at bevare sin orientering i forhold til jordens akse eller modstå ændringer i dens orientering. Et gyroskop består typisk af en roterende rotor, som giver vinkelmomentum, og et sæt kardans eller drejelige understøtninger.

Hvert gyroskop er bygget op omkring en eller flere akser, som fungerer som et grundlæggende element i enhedens konstruktion. Spinaksen er ofte på linje med Z-aksen, hvilket tillader den gyroskopiske rotor at rotere frit, hvilket er afgørende for enhedens drift. Huset eller rammen giver sammen med lejer strukturel støtte og beskytter de indvendige komponenter.

Mens enkelt-akse gyroskoper kun har én primær rotationsakse, er andre, som tre-akse gyroskoper, designet til at måle bevægelses- og orienteringsændringer langs alle tre rumlige akser:X, Y og Z. Det specifikke antal og orienteringen af ​​disse akser kan variere afhængigt af gyroskopets design og påtænkte anvendelse.

Tænk på et enkeltakset gyroskop som en vippe, der kun går frem og tilbage. Den kan kun måle eller reagere på bevægelse i én retning. På den anden side er et treakset gyroskop som en snurretop, som du kan bevæge dig i alle retninger:fremad og bagud (X-aksen), side til side (Y-aksen) og endda i en snurrende bevægelse som en top ( Z-aksen).

Gyroskopisk stabilitet

Nu undrer du dig måske over, hvad denne enhed har at gøre med Jorden og dens akse. Forbindelsen mellem de to kan findes i begrebet gyroskopisk stabilitet. Planeten fungerer som et kolossalt gyroskop, fordi den roterer om sin akse. Denne rotation giver Jorden en egenskab kendt som vinkelmomentum, hvilket betyder, at den ønsker at blive ved med at dreje i samme retning.

Gyroskoper er på den anden side enheder designet til at bevare deres orientering i rummet ved at udnytte principperne for rotationsbevægelse (også kaldet rotationsbevægelse). De har en roterende rotor, der modstår ændringer i dens akse.

Når de udsættes for ydre kræfter, udviser gyroskoper en adfærd kaldet præcession, hvor deres akse gradvist ændrer retning i stedet for straks at vippe. (Vi vil se nærmere på denne adfærd om lidt.)

Gyroskoper efterligner i det væsentlige Jordens stabilitet i dens rotation, hvilket er grunden til, at ingeniører og videnskabsmænd kan bruge disse enheder til at opnå præcis og stabil bevægelse eller orientering i alt fra navigationssystemer til rumfartøjer.

Typer af gyroskoper

Der er kun én jord – medmindre du bor i et tegneserie-multivers – men der er mange typer gyroskoper, der hver især er skræddersyet til specifikke applikationer:

1. Mekanisk gyroskop :Et traditionelt design med roterende masser for stabilitet, brugt i navigations- og stabiliseringssystemer.
2. Fiberoptisk gyroskop (FOG) :Bruger interferensen af ​​lysbølger i optiske fibre til at detektere rotation, som findes i rumfart og navigation.
3. Ringlasergyroskop (RLG) :Stoler på laserlysinterferens i et lukket sløjfe, hvilket giver høj nøjagtighed til navigation i fly og ubåde.
4. Coriolis-vibrationsgyroskop :Bruger Coriolis-effekten i vibrerende strukturer til at måle vinkelhastighed, der er udbredt i navigationssystemer, robotteknologi og forbrugerelektronik.

Præcession

Hvis du nogensinde har leget med legetøjsgyroskoper, ved du, at de kan udføre alle mulige interessante tricks. De kan balancere på en snor eller en finger og modstå bevægelse omkring spinaksen på meget mærkelige måder, men den mest interessante effekt kaldes gyroskopisk præcession. Dette er den tyngdekraft-trodsende del af et gyroskop. Denne 30-sekunders video viser dig virkningerne af præcession ved at bruge et cykelhjul som gyro.

Det mest fantastiske afsnit af videoen er uden tvivl den del, hvor det gyroskopiske cykelhjul er i stand til at hænge i luften sådan her:

Hvordan kan den gøre det?

Denne mystiske effekt er præcession.

Generelt fungerer præcession sådan:Hvis du har et roterende gyroskop og forsøger at ændre orienteringen af ​​dets spinakse, vil enheden reagere ved at ændre dens orientering langs en anden akse, der er vinkelret (i ret vinkel) på din akse. påført kraft.

Så hvorfor sker der præcession?

Se på illustrationen af ​​tre roterende hjul:

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

Årsagen til præcession

Hvorfor viser et gyroskop denne adfærd? Det virker totalt useriøst, at cykelhjulets aksel sådan kan hænge i luften.

Hvis du tænker på, hvad der faktisk sker med de forskellige sektioner af gyroskopet, mens det roterer, kan du dog 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, vil sektionen i toppen af ​​gyroskopet forsøge at bevæge sig til venstre, og sektionen nederst vil forsøge at flytte sig til højre, som vist.
• Hvis gyroskopet ikke drejer, så vælter hjulet, som vist i videoen på forrige side.
• Hvis gyroskopet drejer, så tænk på, hvad der sker med disse to sektioner af gyroskopet:Newtons første bevægelseslov siger, at et legeme i bevægelse fortsætter med at bevæge sig med konstant hastighed langs en lige linje, medmindre det påvirkes af en ubalanceret kraft .

Så det øverste punkt på gyroskopet bliver påvirket af kraften på akslen og begynder at bevæge sig mod venstre. Den fortsætter med at forsøge at bevæge sig mod venstre på grund af Newtons første lov om bevægelse, men gyroens rotation roterer den.

Denne effekt er årsagen til præcession. De forskellige sektioner af gyroskopet modtager kræfter på et tidspunkt, men roterer derefter til nye positioner! Når sektionen i toppen af ​​gyroen roterer 90 grader til siden, fortsætter den i sit ønske om at bevæge sig til venstre.

Det samme gør sig gældende for sektionen nederst:Den drejer 90 grader til siden og fortsætter i sit ønske om at bevæge sig til højre. Disse kræfter roterer hjulet i præcessionsretningen.

Efterhånden som de identificerede punkter fortsætter med at rotere 90 grader mere, ophæves deres oprindelige bevægelser. Så gyroskopets aksel hænger i luften og præcesserer. Når du ser på det på denne måde, kan du se, at præcession overhovedet ikke er mystisk – den er fuldstændig på linje med fysikkens love.

Gyroskop bruger

Effekten af ​​alt dette er, at når du først drejer et gyroskop, vil dets aksel blive ved med at pege i samme retning. Hvis du monterer gyroskopet i et sæt kardaner, så det kan fortsætte med at pege i samme retning, vil det. Dette er grundlaget for gyrokompasset.

Hvis du monterer to gyroskoper med deres aksler vinkelret på hinanden på en platform, og placerer platformen inde i et sæt kardaner, vil platformen forblive fuldstændig stiv, når kardanerne roterer, som de vil. Dette er grundlaget for inerti-navigationssystemer (INS).

I en INS registrerer sensorer på kardanens aksler, når platformen roterer. INS bruger disse signaler til at forstå køretøjets rotationer i forhold til platformen. Hvis du tilføjer et sæt af tre følsomme accelerometre til platformen, kan du fortælle præcis, hvor køretøjet er på vej hen, og hvordan dets bevægelser ændrer sig i alle tre retninger.

Med denne information kan et flys autopilot holde flyet på kurs, og en rakets styresystem kan dirigere raketten ind i en ønsket bane.

Nu er det interessant

Léon Foucaults banebrydende arbejde med gyroskopet i det 19. århundrede revolutionerede vores forståelse af Jordens rotation. Foucault suspenderede et stort gyroskop fra en tynd wire, hvilket viste dets bemærkelsesværdige egenskab ved at opretholde sin rotationsakse på trods af Jordens bevægelse. Da Jorden drejede sig under den, ændrede gyroskopets akse langsomt retning, hvilket giver et håndgribeligt bevis på Jordens rotation. Dette Foucault-pendul blev en ikonisk videnskabelig demonstration, der fremhævede samspillet mellem fysik og astronomi.

Denne artikel blev opdateret i forbindelse med AI-teknologi, og derefter faktatjekket og redigeret af en HowStuffWorks-redaktør.

Ofte stillede spørgsmål om gyroskop

Hvad bruges et gyroskop til?

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

Hvorfor trodser gyroskoper tyngdekraften?

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

Hvad er den gyroskopiske effekt?

Denne effekt refererer til den måde et roterende objekt ønsker at bevare sin rotationsakse på.

Mange flere oplysninger

Relaterede HowStuffWorks-artikler

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

Flere gode links

• Bevægelse
• NASA:Vejledning, navigation og kontrol
• Vejlednings- og kontrolsystemer
• Anomale vægtmålinger af et legetøjsgyroskop
• Mikromaskineret roterende gyroskop
• Navigationssystemer:Gyrokompas
• Gyroskopet afmystificeret - Sådan virker det