Jiroskoplar Ne İçin Kullanılır?

İçerik

• Bir Araba Sağa Döndüğünde Neden Sola Doğru Eğiliyorsunuz?
• Jiroskopun Kökeni
• Jiroskoplar Nedir?
• Jiroskop Fiziği
• Elit Jiroskoplara Bir Örnek: Hubble Teleskobu
• Newton'un İlk Yasasına Neden Bazen "Atalet Yasası" denir
• Atalet Kuvvet midir?
• Bir İvmeölçer Ne Ölçer?

Genellikle basitçe bir jiroskop olarak adlandırılan jiroskop (Yunan yiyecek paketiyle karıştırılmamalıdır), çok fazla baskı alamaz. Ancak bu mühendislik harikası olmadan, dünya - ve özellikle de, diğer dünyaları insanca keşfetme - temelde farklı olacaktır. Jiroskoplar roket ve havacılıkta vazgeçilmezdir ve bir bonus olarak basit bir jiroskop harika bir çocuk oyuncağı yapar.

Jiroskop, hareketli parçaları bol olan bir makine olsa da aslında bir sensördür. Amacı, jiroskopun merkezindeki dönen bir parçanın hareketini, jiroskopların dış çevresinin empoze ettiği kuvvetlerdeki değişimler karşısında sabit tutmaktır. Bu dış vardiyaların, her zaman dayatılan vardiyaya karşı çıkan jiroskop parçalarının hareketleriyle dengelenmesi için inşa edilirler. Bu, yaylı bir kapı veya fare kapağının, çekme çabalarınızda, kendi çabalarınız arttığında daha da zorlayıcı bir şekilde karşı çıkma şeklinden farklı değildir. Bununla birlikte jiroskop, bir yaydan çok daha karmaşıktır.

Bir Araba Sağa Döndüğünde Neden Sola Doğru Eğiliyorsunuz?

Yeni bir şey size dokunmadığında, yeni bir güce maruz kalmak anlamına gelen bir "dış kuvvet" yaşamak ne anlama geliyor? Sabit bir hızla düz bir çizgide hareket eden bir arabanın yolcu koltuğundayken ne olacağını düşünün. Araba hızlanmadığı veya yavaşlamadığı için, vücudunuz doğrusal bir ivmelenme yaşamaz ve araba dönmediğinden, açısal bir hızlanma olmaz. Güç, kütlenin ve ivmenin ürünü olduğundan, bu koşullar altında, saatte 200 mil hızla hareket ediyor olsanız bile net kuvvet yaşamazsınız. Bu, Newton'un ilk hareket kurallarına göre, hareketsiz bir nesnenin dış kuvvet tarafından etkilenmediği sürece istirahatte kalacağını ve aynı yönde sabit hızla hareket eden bir nesnenin tam yolu boyunca devam edeceğini söyleyen ilk hareket yasasına göredir. harici bir kuvvete maruz kalmış.

Ancak araç sağa döndüğü zaman, açısal ivmelenmeyi aracınızın sürüşüne ani girişini engellemek için fiziksel bir çaba göstermediğiniz sürece, sürücünüze doğru sola döneceksiniz. Aracın henüz yeni izlemeye başladığı dairenin tam ortasından işaret eden bir kuvveti deneyimlemek için hiçbir net güç deneyimlemekten geçtiniz. Kısa dönüşler, belirli bir doğrusal hızda daha büyük açısal hızlanma ile sonuçlandığından, sürücünüz keskin bir dönüş yaptığında sola yaslanma eğiliminiz daha belirgindir.

Kendinizi, sosyal olarak kökleşmiş bir şekilde otururken kendinizi aynı pozisyonda tutmaya yetecek yaslanma karşıtı çaba gösterme pratiğiniz, çok daha karmaşık ve etkili bir şekilde de olsa jiroskopların yaptıklarına benzer.

Jiroskopun Kökeni

Jiroskop, 19. yüzyılın ortasına ve Fransız fizikçi Leon Foucault'ya kadar resmen izlenebilir. Foucault, belki de adını alan ve optik çalışmalarındaki çoğunu yapan sarkaç için daha iyi bilinir, ancak, aslında, iptal etmenin bir yolunu bularak, Dünya'nın dönüşünü göstermek için kullandığı bir cihazla geldi. veya yerçekiminin cihazın en iç kısımlarına olan etkilerini izole edin. Bu, jiroskop tekerleğinin döndüğü sırada dönme eksenindeki herhangi bir değişikliğin, Dünya'nın dönmesi ile kazandırılmış olması gerektiği anlamına geliyordu. Böylece bir jiroskop ilk resmi kullanımı açıldı.

Jiroskoplar Nedir?

Bir jiroskopun temel prensibi, yalıtımlı olarak dönen bir bisiklet tekerleği kullanılarak gösterilebilir. Tekerleğin her iki tarafındaki tekerleğin ortasına yerleştirilmiş kısa bir aks (kalem gibi) tutulacak ve tuttuğunuzda birileri tekerleği döndürecek olsaydı, tekerleği bir tarafa yatırmaya kalkarsanız fark edersiniz , o yöne, eğirmeseydi neredeyse olduğu kadar kolay gitmezdi. Bu, seçiminizin herhangi bir yönü için geçerlidir ve hareket ne kadar ani bir şekilde tanıtılırsa belirtilsin.

Bir jiroskopun parçalarını en içten dışa doğru açıklamak belki de en kolay olanıdır. İlk olarak, merkezde dönen bir şaft veya disk bulunur (ve bunu düşündüğünüzde geometrik olarak konuşursak, bir disk çok kısa, çok geniş bir şafttan başka bir şey değildir). Bu, düzenlemenin en ağır bileşenidir. Diskin ortasından geçen aks sürtünmesiz bilyeli rulmanlar ile gimbal adı verilen dairesel bir kasnağa tutturulur. Hikayenin tuhaf ve çok ilginç olduğu yer burası. Bu gimbal, benzer bilyeli rulmanlar tarafından sadece biraz daha geniş olan başka bir gimba bağlanır, böylece iç gimbal dış gimbalın sınırları içinde serbestçe dönebilir. Yaldızların birbirine bağlanma noktaları, merkezi diskin dönme eksenine dik bir çizgi boyuncadır. Son olarak, dış yaldız, üçüncü bir çembere daha yumuşak kaymalı bilyalı rulmanlar ile bağlanır, bu da jiroskopun çerçevesi olarak işlev görür.

(Eğer bir jiroskop diyagramına danışmalısınız ya da eğer daha önce yok ettiyseniz Kaynaklardaki kısa videoları izlemelisiniz; aksi halde bunların hepsi görselleştirmek imkansızdır!)

Jiroskopun işlevinin anahtarı, birbirine bağlı üç ancak bağımsız dönen eğirme tırnağının, üç düzlemde veya boyutlarda harekete izin vermesidir. Eğer bir şey iç şaftın dönme eksenini potansiyel olarak bozacaksa, bu sapma aynı anda üç boyutta da dirençli olabilir, çünkü bombalar kuvveti koordineli bir şekilde "emer". Esasen gerçekleşen şey, iki iç halkanın jiroskopun yaşadığı rahatsızlığa karşılık olarak döndüğü için, kendi dönme eksenlerinin, milin dönme eksenine dik kalan bir düzlemde uzanmasıdır. Bu düzlem değişmezse, mil yönünü de değiştirmez.

Jiroskop Fiziği

Tork, düzden ziyade bir dönüş ekseni etrafına uygulanan kuvvettir. Bu nedenle doğrusal hareketten ziyade dönme hareketi üzerinde etkileri vardır. Standart birimlerde kuvvet kolu “kol kolu” dır (gerçek veya varsayımsal dönme merkezinden uzaklık; "yarıçapı" düşün). Bu nedenle N⋅m birimlerine sahiptir.

Hareket halindeki bir jiroskopun başardığı şey, herhangi bir torkun yeniden dağıtılmasıdır, böylece bunlar merkezi şaftın hareketini etkilemez. Burada bir jiroskopun bir şeyin düz bir çizgide hareket etmesini sağlamanın amaçlanmadığını not etmek önemlidir; bir şeyin hareket etmesini sağlamak içindir sabit dönme hızı ile. Eğer düşünürseniz, muhtemelen aya veya daha uzak noktalara seyahat eden uzay aracının noktadan noktaya gitmediğini hayal edebilirsiniz; bunun yerine, farklı bedenlerin uyguladığı yer çekiminden ve yörüngelerde veya eğrilerde seyahat etmekten yararlanırlar. İşin püf noktası, bu eğrinin parametrelerinin sabit kalmasını sağlamaktır.

Yukarıda, jiroskopun merkezini oluşturan şaftın veya diskin ağır olma eğiliminde olduğu kaydedilmiştir. Aynı zamanda olağanüstü hızlarda dönme eğilimindedir - örneğin Hubble Teleskopu'ndaki jiroskoplar, örneğin dakikada 19.200 devirle veya saniyede 320 devir. Yüzeyde, bilim adamlarının bu kadar hassas bir aleti ortasındaki pervasızca serbestçe (kelimenin tam anlamıyla) bir bileşeni emerek donatmaları saçma görünüyor. Bunun yerine, elbette, bu stratejik. Momentum, fizikte basitçe kütle çarpı hızdır. Buna göre açısal momentum eylemsizlik (aşağıda göreceğiniz gibi kütle içeren bir miktar) açısal hızın katları. Sonuç olarak, tekerlek ne kadar hızlı dönerse ve daha büyük kütle yoluyla ataleti ne kadar büyük olursa milin sahip olduğu açısal momentum o kadar fazla olur. Sonuç olarak, bombalar ve dış jiroskop bileşenleri, dış torkun etkilerini susturma için yüksek bir kapasiteye sahiptir, bu tork boşluktaki mil oryantasyonunu bozmak için yeterli seviyelere ulaşır.

Elit Jiroskoplara Bir Örnek: Hubble Teleskobu

Ünlü Hubble Teleskobu, navigasyonu için altı farklı jiroskop içerir ve bunların periyodik olarak değiştirilmesi gerekir. Rotorunun şaşırtıcı dönme hızı, bilyalı rulmanların bu jiroskop kalibrasyonu için imkansız olduğu anlamına gelir. Bunun yerine, Hubble, insanlar tarafından inşa edilen herhangi bir şeyin sahip olabileceği kadar sürtünmesiz bir dönme deneyimine yakın olan gaz yatakları içeren jiroskoplardan yararlanır.

Newton'un İlk Yasasına Neden Bazen "Atalet Yasası" denir

Atalet, ne olursa olsun, hız ve yöndeki değişime dirençtir. Bu, Asırlar önce Isaac Newton tarafından ortaya konan resmi bildirinin layık halidir.

Günlük dilde, "atalet" genellikle "çimleri biçecektim ama atalet beni kanepeye tutturdu" gibi hareket etme isteksizliğini ifade eder. Bununla birlikte, 26.2 mil uzunluğundaki bir maratonun henüz sona ermiş birisinin, atalet etkisinden dolayı durmayı reddetmesi, bir fizik açısından bakıldığında, burada terimin kullanımına eşit derecede izin verilecek olsa bile tuhaf olurdu. koşucu, teknik olarak iş başında atalet olacak şekilde aynı yönde ve aynı hızda koşmaya devam etti. İnsanların eylemsizlik sonucu bir şey yapmayı bırakmadıklarını söyledikleri durumları hayal edebilirsiniz, "Kumarhaneden ayrılacaktım, ama atalet beni masadan masaya bıraktı." (Bu durumda, "momentum" daha iyi olabilir, ancak yalnızca oyuncu kazanıyorsa!)

Atalet Kuvvet midir?

Açısal momentum için denklem:

L = I.

L biriminde kg ⋅ m olduğunda²/ S'dir. Açısal hız birimleri, ω, karşılıklı saniye olduğundan veya s-1 olduğu için, atalet, kg ⋅ m birimlerine sahiptir.². Standart kuvvet birimi, newton, kg ⋅ m / s'ye bölünür². Dolayısıyla atalet bir güç değildir. Bu, "eylemsizlik kuvveti" ifadesinin ana akım yerel kesime girmesini engellemedi, tıpkı güçler gibi "hisseden" diğer şeylerde olduğu gibi (baskı iyi bir örnek).

Not: Kütle bir kuvvet olmamakla birlikte, her iki terimin günlük ortamlarda birbirinin yerine kullanılmasına rağmen ağırlık bir güçtür. Bunun nedeni, ağırlık yerçekiminin bir işlevidir ve çok az insan Dünya'yı uzun süredir terk ettiğinden, dünyadaki nesnelerin ağırlıkları tıpkı kütlelerinin tam anlamıyla sabit olduğu gibi etkili bir şekilde sabittir.

Bir İvmeölçer Ne Ölçer?

Adından da anlaşılacağı gibi bir ivmeölçer ivme ölçer, ancak yalnızca doğrusal ivme ölçer. Bu, bu cihazların birçok üç boyutlu jiroskop uygulamasında özellikle kullanışlı olmadığı, ancak hareket yönünün yalnızca bir boyutta (örneğin, tipik bir asansörde) meydana gelebileceği durumlarda kullanışlıdırlar.

Bir ivmeölçer bir tür eylemsizlik sensörüdür. Bir jiroskop başkadır, jiroskop açısal ivmelenmeyi ölçmektedir. Ve bu konunun kapsamı dışında olmasına rağmen, bir manyetometre üçüncü tür bir atalet sensörüdür, bu manyetik alan için kullanılır. Sanal gerçeklik (VR) ürünleri, kullanıcılar için daha sağlam ve gerçekçi deneyimler üretmek için bu atalet sensörlerini bir araya getirir.