Kas yra giroskopas?
Giroskopas yra prietaisas, kuris skirtas išlaikyti objekto orientaciją ir kampinį greitį. Tam jis naudoja kinetinio momento orientacijos išsaugojimo principą. Giroskopas, turintis laisvai besisukantį diską, gali įgauti bet kokią orientaciją, tuo pačiu išlaikydamas nekintamą savo sukimosi ašį.
Iš tiesų, kai sukasi giroskopo sukamasis diskas, prietaiso sukimosi ašis išlieka stabili net ir ant pasvirusio pagrindo. Diskui įgaunant greitį, kinetinis momentas taip pat tampa didelis, taip stabilizuodamas giroskopą ir objektą, kuriame jis yra įmontuotas.
Precesijos judesys
Sukantis visu greičiu, jei ant ašies veiktų jėga, giroskopas prarastų pusiausvyrą. Ašis juda lėčiau, atliekant kūginį judesį, vadinamą precesijos judesiu. Giroskopas toliau sukasi, bet nenukrenta.
Giroskopas ir kinetinė energija
Klasikinėje fizikoje ir mechanikoje giroskopas ir kinetinis judesys yra neatsiejami vienas nuo kito. Jei pirmasis reiškia sukimosi ir kampinės padėties stebėjimo mechanizmą, antrasis yra vektoriaus dydis, naudojamas tam pačiam sukimuisi išlaikyti. Čia sužinosite viską, ką reikia žinoti apie giroskopą ir kinetinį momentą.
Kinetinis momentas
Taip pat vadinamas kampiniu momentu, kinetinis momentas yra vektoriaus dydis, kurio kryptis ir ženklas sutampa su kampiniu greičiu. Kad tai būtų įmanoma, objekto sukimosi ašis turi būti ir jo simetrijos ašis.
Pagal Vikipediją, nuo materialaus taško M iki taško O kinetinis momentas lygus judėjimo kiekio momentui, skaičiuojamam atsižvelgiant į tašką O. Kai kinetinis momentas nesikeičia, sukimosi ašis išlieka stabili. Tai yra kinetinio momento išsaugojimas arba giroskopinis efektas.
Giroskopinis efektas
Norėdami konkrečiai suprasti šį mechanizmą, paimkite dviračio ratą. Laikykite jį ištiesta ranka už stebulės veržlių. Paprašykite ko nors greitai pasukti ratą. Jei bandysite pasilenkti link besisukančio rato, pajusite pasipriešinimą. Būtent sukimosi momento išsaugojimo dėsnis priešinasi šiam judesiui. Būtent giroskopinis efektas leidžia išlaikyti šio rato pusiausvyrą. Svarbu pažymėti, kad giroskopinis efektas stiprėja didėjant sukimosi greičiui.
Giroskopo istorija
Pirmasis triašis giroskopas buvo išrastas Léono Foucault 1852 m. Jis žinomas kaip Foucault’o švytuoklės kūrėjas. Atlikdamas eksperimentą, susijusį su Žemės sukimusi, Foucault pastebėjo, kad jo švytuoklė sukasi lėčiau, palyginti su Žemės sukimusi. Šis eksperimentas paskatino jį sukurti prietaisą, galintį išlaikyti greitą sukimąsi pakankamai ilgą laiką. Kartu su savo bendradarbiu Formentu jis sukūrė giroskopą. Jis taip pat pastebėjo, kad šis naujas prietaisas gali nurodyti šiaurę ir susiorientuoti pagal dienovidinį. Jis jį pavadino giroskopiniu kompasu.
Nuo XIX a. pabaigos pasirodė pirmieji varikliniai giroskopai. Giroskopiniai kompasai dabar naudojami geografinei šiaurei, o ne magnetinei šiaurei nurodyti. Jie taip pat pakeitė laivų kompasus. Nuo XX a. giroskopiniai kompasai buvo naudojami karinėje įrangoje.
Šiandien giroskopai taip pat naudojami elektroninių prietaisų stabilumui užtikrinti. Juos dabar galima rasti ne tik laikrodžiuose, bet ir išmaniuosiuose telefonuose, kur jie yra elektromechaninių inercinių mikrosistemų forma.
Giroskopo komponentai
Mechaninis giroskopas iš esmės susideda iš šių elementų:
- centrinis besisukantis diskas. Šio disko centre yra giroskopo sunkiojo centro taškas, be kurio prietaisas negali veikti.
- sukimosi ašis, einanti per disko centrą ir nukreipta bet kuria kryptimi.
- Trys kardaniniai šarnyrai (sukamasis laikiklis, leidžiantis objektui suktis aplink vieną ašį), sudarantys triašį giroskopą:
- Pirmasis pritvirtintas prie ašies naudojant rutulinius guolius.
- Antrasis pritvirtintas prie vidinės ašies
- Trečiasis pritvirtintas prie išorinio rėmo
Giroskopo panaudojimas
Šiandien giroskopas naudojamas ne tik fizikoje, bet ir daugelyje kitų sričių (pramonėje, aviacijoje, naftos pramonėje ir kt.). Jis naudojamas:
- torpedų ir raketų nukreipimui
- Lėktuvo posūkio koordinavimui ar rodymui
- Tam tikrų antistresinių žaislų, pvz., suktukų, jojo, vortekonų ar spinerių, gamyba
- Kameros stabilizavimui filmuojant judantį objektą
- Motociklų, dviračių ar dviračių transporto priemonių, važiuojančių išlaikant pusiausvyrą, konstravimas
- Radijo bangomis valdomų sraigtasparnių konstravimas ir daugelis kitų dalykų
Be to, šis prietaisas taip pat naudojamas kosminėse stotyse, kosminio teleskopo „Hubble“ borto įrangoje ir įvairiose kitose srityse, skirtose fizikos ekspertams.