Садржај
- Зашто се нагињете лево када аутомобил скрене десно?
- Порекло жироскопа
- Шта су жироскопи?
- Физика жироскопа
- Пример елитних жироскопа: Телескоп Хуббле
- Зашто се Невтонов први закон понекад назива "законом инерције"
- Да ли је инерција сила?
- Шта мери акцелерометар?
Жироскоп, који се често назива жироскоп (да се не меша са грчком прехрамбеном робом), не добија много пажње. Али без овог чуда инжењеринга, свет - а нарочито човечанство истраживање других светова - био би у суштини различит. Жироскопи су неопходни у ракетирању и ваздухопловству, а као бонус, једноставан жироскоп чини одличну дечију играчку.
Жироскоп, иако машина са доста покретних делова, је у ствари сензор. Његова сврха је да задржи кретање ротирајућег дела у центру жироскопа стабилно, услед промена сила које намеће жироскоп спољно окружење. Конструисани су тако да су ови спољашњи помаци уравнотежени кретањем делова жироскопа који се увек супротстављају наметнутој промени. Ово није другачије од начина на који ће се опружена врата или замка за миш супротставити вашим покушајима да их отворите, још снажније ако се повећавају ваши напори. Жироскоп је, међутим, много замршенији од опруге.
Зашто се нагињете лево када аутомобил скрене десно?
Шта значи искусити "спољашњу силу", тј. Подвргнути се новој сили када вас ништа ново заправо не додирује? Размислите шта се дешава када се налазите на сувозачком месту аутомобила који путује равном линијом константном брзином. Због тога што аутомобил не убрзава или успорава, тело не доживљава линеарно убрзање, а зато што се аутомобил не окреће, не осећате угаоно убрзање. С обзиром да је сила производ масе и убрзања, под овим условима не осећате нето силу, чак и ако се крећете брзином од 200 миља на сат. То је у складу са Невтоновим првим законом о кретању, који каже да ће објект у мировању остати у мировању уколико не делује спољашња сила, а такође и да ће се објект који се креће константном брзином у истом правцу наставити својим тачним путем осим ако изложени спољној сили.
Када аутомобил скрене удесно, осим ако не уложите неки физички напор да се супротставите наглом увођењу угаоног убрзања у вожњу аутомобилом, преврнут ћете се према возачу с ваше леве стране. Прешли сте од доживљаја нечије силе до доживљаја силе која показује равно из центра круга, аутомобил је тек почео да трага. Пошто краћи завоји резултирају већим угаоним убрзањем при датој линеарној брзини, ваша склоност нагињању улево је израженија када ваш возач направи оштар завој.
Ваша сопствена, друштвено усађена пракса примене довољно напорног напора да се задржите у истом положају у свом седишту је аналогна ономе што раде жироскопи, иако на далеко сложенији - и ефикаснији - начин.
Порекло жироскопа
Жироскоп се формално може пратити до средине 19. века и француског физичара Леона Фоуцаулта. Фоуцаулт је можда познатији по клатну које носи његово име и већину свог посла је радио у оптици, али је смислио уређај који је користио да демонстрира ротацију Земље, смисливши начин да, у ствари, откаже или изоловати ефекте гравитације на унутрашњим деловима уређаја. То је значило да би било каква промена оси ротације жироскопског точка током вртења морала да буде извршена ротацијом Земље. Тако се отворила прва формална употреба жироскопа.
Шта су жироскопи?
Основни принцип жироскопа може се илустрирати изолирањем котача који се окреће. Ако бисте држали точак са сваке стране кратком осовином постављеном кроз средину точка (попут оловке) и неко ротирао точак док сте га држали, приметили бисте да ако бисте покушали да преусмерите точак на једну страну , то не би ишло у том правцу готово тако лако као да се не би завртило. Ово важи за било који смер по вашем избору и без обзира колико изненада је уведен покрет.
Можда је најлакше описати делове жироскопа од унутрашњости до споља. Прво, у средини је ротирајуће осовина или диск (а када размишљате о томе, геометријски гледано, диск није ништа друго до врло кратка, веома широка осовина). Ово је најтежа компонента аранжмана. Осовина која пролази кроз центар диска причвршћена је кугличним лежајевима без трења на кружни обруч, назван гимбал. Овде прича постаје чудна и веома занимљива. Овај гимбал је сам по себи повезан сличним кугличним лежајевима са другим гимбалом који је само мало шири, тако да се унутрашњи гимбал може слободно окретати унутар граница спољне гимбал. Тачке причвршћивања тетива једна уз другу су дуж линије која је окомита на ос ротације централног диска. Коначно, спољни клип је са трећим обручем причвршћен још глаткијим кугличним лежајевима, који служи као оквир жироскопа.
(Треба да консултујете дијаграм жироскопа или погледате кратке видео записе у Ресурсима ако већ нисте; у супротном, све ово је готово немогуће визуализовати!)
Кључно у функцији жироскопа је да три међусобно повезане, али независно окрећуће се гимбале омогућавају кретање у три равни или димензијама. Ако би нешто могло ометати ос ротације унутрашње осовине, овом узнемирењу може се истовремено одупријети у све три димензије, јер гимбали „координирају“ силу. Оно што се у суштини догађа је да, како се два унутрашња прстена окрећу као одговор на сметње које је жироскоп доживео, њихове одговарајуће оси ротације леже унутар равнине која стоји окомито на ос ротације осовине. Ако се та равнина не промени, онда ни смјер осовина.
Физика жироскопа
Момент се примењује око ротационе осе, а не равно. Стога има ефекте на ротационо кретање, а не на линеарно кретање. У стандардним јединицама то је сила која је сила „ручице полуге“ (удаљеност од стварног или хипотетичког центра ротације; мислите „полупречник“). Стога има јединице Н⋅м.
Оно што жироскоп у акцији постиже је редистрибуција било ког примењеног обртног момента, тако да они не утичу на кретање централног вратила. Овдје је кључно напоменути да жироскоп није намијењен да се нешто креће у правој линији; то је значило да се нешто креће са константном брзином ротације. Ако размислите о томе, вероватно можете замислити да свемирске летелице које путују на месец или ка удаљенијим дестинацијама не иду тачно ка тачки; радије користе гравитацију коју испољавају различита тела и путују путањама или кривинама. Трик је да се осигура да параметри ове кривуље остану константни.
Горе је примећено да осовина или диск који чине средиште жироскопа обично теже. Такође има тенденцију да се врти изузетним брзинама - на пример, жироскопи на Хуббле телескопу врте се при 19.200 окретаја у минути или 320 у секунди. На површини, чини се апсурдно да би научници опремили тако осетљив инструмент усисавањем несмотрене (дословно) компоненте у средини. Уместо тога, наравно, ово је стратешко. Моментум, у физици, је једноставно масовна брзина. У складу са тим, момент угла је инерција (количина која укључује масу, као што ћете видети доле) пута угаоне брзине. Као резултат, што се брже коло окреће и што је већа његова инерција већом масом, то је већи угаони момент осовине. Као резултат, компоненте гимбала и спољашњих жироскопа имају високу способност за пригушивање ефеката спољног обртног момента пре него што тај закретни момент достигне нивое довољне да поремети оријентацију осовина у простору.
Пример елитних жироскопа: Телескоп Хуббле
Познати телескоп Хуббле садржи шест различитих жироскопа за његову навигацију, а ове је периодично потребно заменити. Запањујућа брзина ротације његовог ротора имплицира да су куглични лежајеви непрактични за немогуће за овај калибар жироскопа. Уместо тога, Хуббле користи жироскопе који садрже гасне лежајеве, који нуде ротирајући доживљај без трења као што би било шта изграђено од људи.
Зашто се Невтонов први закон понекад назива "законом инерције"
Инерција је отпор према промени брзине и правца, ма какви били. Ово је лаичка верзија формалне декларације коју је Исаац Невтон изнео пре више векова.
У свакодневном језику, „инерција“ се обично односи на невољкост за померање, попут „Хтео сам да косим травњак, али ме инерција приковала за кауч“. Било би чудно, међутим, видети некога ко је тек завршио маратон дуг 26,2 километра одбити да се заустави због дејства инерције, иако би са физичког становишта употреба овде овде подједнако дозвољена - ако тркач је наставио трчати у истом правцу и истом брзином, технички би то била инерција на послу. А можете замислити ситуације у којима људи кажу да нису успели да престану да раде нешто што је последица инерције, попут: "Хтео сам да напустим казино, али инерција ме је тјерала да идем од стола до стола." (У овом случају „замах“ би могао бити и бољи, али само ако играч победи!)
Да ли је инерција сила?
Једнаџба за момент угла је:
Л = Иω
Где Л има јединице кг кг м2/с. Пошто су јединице угаоне брзине ω реципрочне секунде или с-1, И, инерција, има јединице кг ⋅ м2. Стандардна јединица за силу, невтон, разграђује се на кг ⋅ м / с2. Дакле, инерција није сила. То није спречило фразу да "сила инерције" уђе у главни ток, као што се то догађа са другим стварима које се "осећају" као силе (притисак је добар пример).
Бочна напомена: Иако маса није сила, тежина је сила упркос томе што се у свакодневним срединама користе та два наизменична коришћења. То је зато што је тежина функција гравитације, а пошто мало људи икад напушта Земљу, тежине објеката на Земљи су ефективно константне баш као што су њихове масе дословно константне.
Шта мери акцелерометар?
Акцелерометар, као што му име каже, мери убрзање, али само линеарно убрзање. То значи да ови уређаји нису нарочито корисни у многим апликацијама за тродимензионални жироскоп, иако су они згодни у ситуацијама у којима се правац кретања може догодити само у једној димензији (нпр., Типичном лифту).
Акцелерометар је једна врста инерцијалног сензора. Жироскоп је други, осим што жироскоп мери угаоно убрзање. Иако је изван ове теме, магнетометар је трећа врста инерцијалних сензора, овај који се користи за магнетна поља. Производи виртуелне стварности (ВР) садрже ове инерцијалне сензоре у комбинацији да дају робуснија и реалнија искуства за кориснике.