Milleks güroskoope kasutatakse?

Sisu

• Miks kaldute vasakule, kui auto pöörab paremale?
• Güroskoobi päritolu
• Mis on güroskoobid?
• Güroskoobi füüsika
• Eliitgüroskoopide näide: Hubble'i teleskoop
• Miks nimetatakse Newtoni esimest seadust mõnikord "inertsuse seaduseks"
• Kas inerts on jõud?
• Mida mõõdab kiirendusmõõtur?

Güroskoop, mida sageli nimetatakse lihtsalt güroskoobiks (mitte segi ajada Kreeka toidukilega), ei saa palju ajakirjandust. Kuid ilma selle inseneriteaduse imetluseta oleks maailm - ja eriti inimkonna teiste maailmade uurimine - põhimõtteliselt erinev. Güroskoobid on raketi- ja lennunduses asendamatud ning boonusena teeb lihtne güroskoop suurepärase lapse mänguasja.

Güroskoop, kuigi palju liikuvate osadega masin, on tegelikult andur. Selle eesmärk on hoida güroskoobi keskel oleva pöörleva osa liikumist ühtlasena güroskoopide väliskeskkonnast tingitud jõudude muutuste korral. Need on konstrueeritud nii, et neid väliseid nihkeid tasakaalustavad güroskoopide osade liikumised, mis on alati vastu suunatud kehtestatud nihkele. See pole erinevalt sellest, kuidas vedruga koormatud uks või hiirelukk teie katsetele seda lahti tõmmata seisab vastu, seda enam, kui teie enda jõupingutused suurenevad. Güroskoop on aga palju keerukam kui vedru.

Miks kaldute vasakule, kui auto pöörab paremale?

Mida tähendab kogeda "välist jõudu", st allutada uuele jõule, kui tegelikult midagi uut ei puuduta? Mõelge, mis juhtub, kui viibite autoga, mis on ühtlase kiirusega sirgjoonel sõitnud. Kuna auto ei kiirenda ega aeglusta, ei koge teie keha lineaarset kiirendust ja kuna auto ei pöördu, siis nurkkiirendust ei esine. Kuna jõud on massi ja kiirenduse korrutis, ei teki nendes tingimustes netivõimsust, isegi kui liigute kiirusega 200 miili tunnis. See on kooskõlas Newtoni esimese liikumisseadusega, mis ütleb, et puhkeasendis olev objekt jääb puhkeolekusse, kui sellele ei mõju välisjõud, ning ka see, et püsikiirusel samas suunas liikuv objekt jätkub oma täpset rada mööda, välja arvatud juhul, kui allutatud välisele jõule.

Kui aga auto pöörab paremale, kallutate vasakule poole liikuva juhi poole, kui te ei tee füüsilisi jõupingutusi, et neutraliseerida nurgakiirenduse järsk sissetoomine autosõidule. Olete kaotanud võrguta jõu kogenud jõu, mis on suunatud otse ringi keskelt ja mille auto on alles hakanud jälgima. Kuna lühemad pöörded põhjustavad antud sirgkiirusel suurema nurkkiirenduse, on teie kalduvus vasakule vasakule rohkem väljenduda, kui teie juht teeb järsu pöörde.

Teie enda sotsiaalselt juurdunud tava, mille puhul rakendate just piisavalt kõhnumisvastaseid jõupingutusi, et hoida end oma kohal samas asendis, on analoogne güroskoopide toimimisega, ehkki palju keerukamal ja tõhusamal viisil.

Güroskoobi päritolu

Güroskoobi võib ametlikult jälgida 19. sajandi keskpaigani ja prantsuse füüsiku Leon Foucault 'juurde. Foucault on võib-olla paremini tuntud pendli järgi, mis kannab tema nime ja tegi suurema osa oma tööst optikas, kuid ta tuli välja seadmega, mida ta kasutas Maa pöörde demonstreerimiseks, mõeldes välja viisi, kuidas tegelikult välja lülitada või isoleerida raskusjõu mõju seadme sisemistele osadele. See tähendas, et güroskoobi ratta pöörlemistelje muutused selle pöörlemise ajal pidid toimuma Maa pöörlemine. Nii avati güroskoobi esimene ametlik kasutamine.

Mis on güroskoobid?

Güroskoobi põhiprintsiipi saab illustreerida eraldi ketrava jalgratta abil. Kui peaksite hoidma ratast mõlemal küljel lühikese telje kaudu, mis asetseb läbi ratta keskosa (nagu pastapliiats), ja kui keegi pööras ratast, kuni te seda hoidsite, siis märkate, et kui proovite ratast ühele küljele kallutada , ei läheks see selles suunas peaaegu nii lihtsalt kui siis, kui see ei keerleks. See kehtib teie valitud mis tahes suuna kohta ja ükskõik kui järsult liikumist tutvustatakse.

Güroskoobi osi on kõige lihtsam kirjeldada sisemistest osadest kaugeimateni. Esiteks on keskel pöörlev võll või ketas (ja kui järele mõelda, siis geomeetriliselt öeldes pole ketas midagi muud kui väga lühike, väga lai võll). See on kokkuleppe raskeim komponent. Ketta keskpunkti läbiv telg on hõõrdumiseta kuullaagrite abil kinnitatud ümmarguse kõnni külge, mida nimetatakse kardaaniks. Siit saab lugu veidra ja väga huvitava. See kinnituskang on ise sarnaste kuullaagritega kinnitatud mõne teise, pisut pisikese laiusega kinnitusklambri külge, nii et sisemine kinnituskang saab vabalt pöörduda välimise kinnitusklapi piirides. Kardaanide kinnituskohad üksteise suhtes on piki sirget, mis on risti keskse ketta pöörlemisteljega. Lõpuks kinnitatakse välimine kinnituskang veel sujuvama libisemisega kuullaagrite abil kolmanda vöö külge, see toimib güroskoobi raamina.

(Kui te seda juba teinud pole, peaksite uurima güroskoobi diagrammi või vaatama lühikesi videoid ressurssidest; vastasel juhul on seda kõike peaaegu võimatu visualiseerida!)

Güroskoobi funktsiooni võtmeks on see, et kolm omavahel ühendatud, kuid sõltumatult keerlevat tihendit võimaldavad liikumist kolmes tasapinnas ehk mõõtmes. Kui midagi peaks segama sisevõlli pöörlemistelge, saab seda häirimist üheaegselt vastu pidada kõigis kolmes mõõtmes, kuna käepidemed "neelavad" jõudu kooskõlastatult. Põhimõtteliselt juhtub see, et kuna kaks sisemist rõngast pöörlevad vastuseks mis tahes häiretele, mida güroskoop on kogenud, asuvad nende vastavad pöörlemisteljed tasapinnas, mis jääb võlli pöörlemisteljega risti. Kui see tasand ei muutu, ei muutu ka võllide suund.

Güroskoobi füüsika

Pördemoment on suunatud pöördeteljele, mitte sirgele. Seega mõjutab see pigem pöörlevat kui lineaarset liikumist. Standardühikutes on see jõu hoova "korda" (vahemaa tegelikust või hüpoteetilisest pöördekeskusest); korda "raadius". Seetõttu on sellel N⋅m ühikuid.

See, mida güroskoop toimib, on kõigi rakendatud pöördemomentide ümberjaotamine, nii et need ei mõjuta keskvõlli liikumist. Siinkohal on oluline märkida, et güroskoop ei ole ette nähtud millegi sirgjoonelise liikumise hoidmiseks; see on mõeldud millegi liikumise hoidmiseks konstantse pöörlemiskiirusega. Kui järele mõelda, võite ilmselt ette kujutada, et Kuule või kaugematesse sihtkohtadesse sõitvad kosmoseaparaadid ei lähe punktist teise; pigem kasutavad nad erinevate kehade rakendatavat raskusjõudu ja liiguvad trajektoorides või kurvides. Trikk on tagada selle kõvera parameetrite püsimine.

Eespool märgiti, et güroskoobi keskpunkti moodustav võll või ketas kipub olema raske. Samuti kipub see pöörlema ​​erakordse kiirusega - näiteks Hubble'i teleskoobi güroskoobid keerlevad kiirusega 19 200 pöörde minutis või 320 sekundis. Pinna pealt näib absurdne, kui teadlased varustaksid sellise tundliku instrumendi sellega, et imevad selle keskele kergemeelselt (sõna otseses mõttes) vabakäigu. Muidugi on see strateegiline. Füüsikas on impulss lihtsalt mass korda kiirus. Vastavalt on nurkne impulss inerts (kogus, mis sisaldab massi, nagu näete allpool) ja nurkkiiruse korda. Selle tagajärjel, mida kiiremini ratas pöörleb ja mida suurem on selle inerts suurem mass, seda rohkem nurk on võllil. Selle tulemusel on korpused ja güroskoobi väliskomponendid võimelised summutama välise pöördemomendi mõju enne, kui see pöördemoment saavutab taseme, mis on piisav võllide ruumis orienteerumise häirimiseks.

Eliitgüroskoopide näide: Hubble'i teleskoop

Kuulus Hubble'i teleskoop sisaldab navigeerimiseks kuut erinevat güroskoopi ja need tuleb perioodiliselt välja vahetada. Selle rootori järkjärguline pöörlemiskiirus tähendab, et kuullaagrid on selle güroskoobi kaliibri jaoks ebapraktilised või võimatud. Selle asemel kasutab Hubble gaasilaagreid sisaldavaid güroskoope, mis pakuvad tõeliselt hõõrdetud pöörlemiskogemust, kuna kõik, mis inimeste ehitatud on, kiidelda võib.

Miks nimetatakse Newtoni esimest seadust mõnikord "inertsuse seaduseks"

Inerts on vastupidavus kiiruse ja suuna muutustele, olenemata sellest, mis need on. See on Isaac Newtoni sajandeid tagasi esitatud ametliku deklaratsiooni tavapärane versioon.

Igapäevases keeles tähendab "inerts" tavaliselt vastumeelsust liikuda, näiteks: "Ma kavatsesin muru niita, kuid inerts hoidis mind diivanile kinnitatud". Oleks veider, kui keegi, kes on jõudnud just 26,2-miilise maratoni lõppu, keelduks inertsuse tagajärjel peatumast, ehkki füüsika seisukohast oleks termini kasutamine siin võrdselt lubatud - kui jooksja jätkas jooksmist samas suunas ja sama kiirusega, tehniliselt oleks see tööl inerts. Ja võite ette kujutada olukordi, kus inimesed ütlevad, et neil ei õnnestunud inertsist tulenevalt midagi lõpetada, näiteks: "Ma kavatsesin kasiinost lahkuda, kuid inerts hoidis mind ühest lauast teise." (Sel juhul võiks "hoog" olla parem, kuid ainult siis, kui mängija võidab!)

Kas inerts on jõud?

Nurkkiiruse võrrand on järgmine:

L = Iω

Kus L on ühikud kg ⋅ m²/ s. Kuna nurkkiiruse ühikud ω on vastastikused sekundid või s-1, on inertsil I, ühikud kg ⋅ m². Standardne jõuühik, njuuton jaguneb kg ⋅ m / s². Seega pole inerts jõud. See ei ole hoidnud fraasi "inertsjõud" jõudmast rahvakeele peavoolu, nagu juhtub teiste asjadega, mis "tunnevad" jõude (surve on hea näide).

Külgmärkus: Kuigi mass ei ole jõud, on kaal jõud, vaatamata sellele, et neid kahte terminit kasutatakse igapäevases olukorras vaheldumisi. Selle põhjuseks on asjaolu, et kaal on raskusjõu funktsioon ja kuna vähesed inimesed lahkuvad Maalt kunagi pikaks ajaks, on Maal asuvate objektide mass tegelikult sama, nagu ka nende massid on sõna otseses mõttes konstantsed.

Mida mõõdab kiirendusmõõtur?

Kiirendusmõõtur, nagu nimigi viitab, mõõdab kiirendust, kuid ainult lineaarkiirendust. See tähendab, et need seadmed pole eriti kasulikud paljudes kolmemõõtmelistes güroskoobirakendustes, ehkki need on käepärased olukordades, kus liikumissuund võib toimuda ainult ühes mõõtmes (nt tüüpiline lift).

Kiirendusmõõtur on ühte tüüpi inertsiandur. Güroskoop on veel üks, välja arvatud see, et güroskoop mõõdab nurkkiirendust. Ja ehkki väljaspool selle teema valdkonda on magnetomeeter kolmas inertsiandur, seda kasutatakse magnetväljade jaoks. Virtuaalse reaalsuse (VR) tooted sisaldavad neid inertsiaalseid andureid kombinatsioonis, et pakkuda kasutajatele jõulisemaid ja realistlikumaid elamusi.