Жироскоп

Из Википедије, слободне енциклопедије
Жироскоп

Жироскоп (од древ. грчког γυρο „окрет“ и древ. грчког σκοπεω „посматрати") је уређај за мерење промене угла везаног за њега тела односно инерционе системе и за одржавање оријентације. Функционише на основу принципа угаоног момента. Уређај се састоји од точка или диска чија се осовина може слободно окренути у било који положај пространства. Било каква промена положаја осе жироскопа, услед придавања спољног момента, је много мања него што би била без великог угаоног момента својственог окретљивости жироскопа. Због минимизирања спољашњег момента монирањем уређаја у кардански обруч, његов положај остаје готово фиксиран, без обзира на било који покрет платформе на којој је монтиран.

Два основна типа жироскопа:

По начину употребе:

  • мерач угаоне брзине
  • показивач правца

Један исти уређај може да ради у разним режимима.

Међу механичким жироскопима издваја се роторни жироскоп — брзовртеће тврдо тело, чија оса окретања може мењати правац у пространству. Притом брзина окретања жироскопа многократно премашује брзину окретања његове осе окретања. Основно својство таквог жироскопа је способност да у пространству сачува неизмењен правац осе окретања при отсустству дејства момената спољашњих сила на њу.

Први пут то својство је искористио Жак Бернар Леон 1852. године, за експерименталну демонстрацију окретања Земље. Баш на тей демонстрацији жироскоп је и добио свој назив, од грчких речи «окретање», «посматрање».

Опис[уреди]

Унутар неког механичког система или уређаја, конвенционални жироскоп је механизам састављен од једног ротора направљеног да се врти око једне осе. Носач ротора се везује за унутрашњи кардански обруч или прстен, унутрашњи обруч је повезан са спољним обручом који је привезан за обруч подршке тако да може да се врти око своје осе у равни одређеној подршком. Спољашњи обруч поседује један степен ротационе слободе. Унутрашњи обруч је монтиран на спољни тако да се окретће око сопствене осе у равни која је увек вертикална осовинској оси спољњег обруча.

Оса окрећућег точка опредељује осу окретања. Унутрашњи кардански обруч поседује два степена слободе, а његова ротациона оса поседује један. Ротор је привезан тако да се врти око осе која је увек вертикално наспрам осе унутрашњег обруча. Дакле, ротор поседује три степена ротационе слободе, а његове осе поседују два. Точак одговара на силу примијењену око улазне осе реакционом силом око излазне осе.

Жироскопски замашњак ће се вртети или кочити око излазне осовине зависно од тога да ли су излазни обручи за одржавање инструмената тренутно слободни у окрету или фиксирани.

Жироскопски точае у акцији. Реакционе стрелице око излазне осовине (плава) одговарају снази примењеној око улазне осе (зелено), и обрнуто.

Гравитациони центар ротора може бити у фиксираном положају. Ротор се врти истовремено око једне осе и способан је осциловати и око друге две осе, те тако, осим због наследног отпора изазваног окретањем ротора, може се слободно окретати у било ком смеру око фиксне тачке. Неки жироскопи не користе механичких принцип за један или више елемената, на пример, ротор може бити потопљен у течност, уместо да се монтира на кардански обруч за одржавање инструмената. Контролуни моменат жироскоп је пример уређаја фиксираног излазног обруча, који се користи на свемирским бродовима за држање или одржавање жељеног угла или показивање смера помоћу снаге отпора жироскопа.

У посебним случајевима, спољни обруч (или његова еквивалента) може бити изостављен тако да ротор има само два степена слободе. У другим случајевима, центар гравитације ротора може да се преклапа са осом осцилација, а тимсамим центар гравитације и центар суспензије ротора могу не подударати.

Принцип рада[уреди]

Жироскоп у раду са слободом у све три осе. Ротор ће одржати своју осу окретања независно од оријентације спољног оквира.

Основна, упроштена, једначина која описује понашање жироскопа је: \boldsymbol\tau={{d \mathbf{L}}\over {dt}}={{d(I\boldsymbol\omega)} \over {dt}}=I\boldsymbol\alpha

где су вектори \boldsymbol\tau и \mathbf{L} момент жироскопа и његов угаони моменат, скалар I\, је момент његова инерције, вектор \boldsymbol\omega је њенгова угаона брзина, и вектор \boldsymbol\alpha је његово угаоно убрзање.

Из тога следи да моменат \boldsymbol\tau примењен вертикално на осу ротације, а тиме вертикално и на \mathbf{L}, ствара ротацију око осе перпендикуларне на оба \boldsymbol\tau и \mathbf{L}. Ово кретање се зове прецесија. Угаона брзина прецесије \boldsymbol\Omega_P зависи од производа вектора: \boldsymbol\tau=\boldsymbol\Omega_P \times \mathbf{L}

Прецесија жироскопа

Прецесија се може продемонстрирати пстављањем жироскопа осама хоризонтално ка површини и лабаво подржаном (непокретном односно прецесије) на једном крају. Уместо да пада, као што се може очекивати, чини се да жироскоп пркосити гравитацији подржавајући осе хоризонтално, док је друга страна осе остављена без подршке и слободни крај осе полако описује круг у хоризонталној равни, стварајући окретну прецесију. Овај ефекат је објашњен горе наведеном једначином. Окретни момент на жироскопу се добија помоћу две силе: гравитације делујући надоле на средиште масе уређаја, и једнаке силе, дјелујуће према горе подржавајући супротни крај уређаја. Ротација произлазеће из овог момента није недоле, како би могло бити интуитивно очекивано, узрокујући да уређај падне, а вертикално на оба гравитациони момент (хоризонтално и вертикално на осу ротације) и осу ротације (хоризонтална и даље од тачке подршке), односно око вертикалне осе, узрокујући да уређај полако ротира око тачке подршке.

Како друга једначина приказује под сталним моментом, брзина прецесије жироскопска је обрнуто пропорционална свом угаоном моменту. То значи да, на пример, ако трење узрокује успоравање окретања жироскопа — стопа прецесије се повећава. То се наставља све док уређај не може довољно брзо да ротира да би одржао сопствену тежину. Тада прецесија престаје и уређај пада са своје подршке, углавном због тога што трење против прецесије изазива другу прецесију која настоји да узрокује пад.

По конвенцији, ова три вектора, окретни момент, ротација, и прецесија, сви су оријентисани у односу на следећи према правилу десне руке.

Да би се лакше уверили о смеру окретног ефекта, једноставно запамтите да када се наклања под углом окретање точкћа стреми да се врати ка унутра.

МЕМС жироскопи користе идеју Фокаултовог клатна и користе вибрирајући елемент, познат као МЕМС(микро електро-механички систем).

Примена[уреди]

Жироскопи се могу користити за изградњу жирокомпаса који допуњавају или замењују магнетске компасе (у бродовима, летелицама и возилима у целини), као стабилизатори (бицикли, свемирски телескоп „Хабл“, бродови, возила у целини), или коришћени као део унутрашње системе навођења. Неки уређаји на принципу слободног излазног обруча користе се за мерење наклона, окретања или скретатња односно углова кретаљња летелице.

Жироскоп показује низ појава, укључујући прецесију и увртање.

Системе стабилизације[уреди]

Постоје три основинх вида система стабилизације.

  • Система присилне стабилизације (на 2-степеним жироскопима).

За стабилизацию око сваке осе потребан је по један жироскоп. Стабилизација се достиже жироскопом и стабилизационим мотором. У почетку дејствује жироскопски моменат, а после се подкључује стабилизациони мотор.

  • Система индикаторно-присилне стабилизације (на 2-степеним жироскопима).

За стабилизацию око сваке осе потребан је по један жироскоп. Стабилизација се достиже само стабилизационим мотором, али се у почетку појављује мањи жироскопски моменат који се може занемарити.

  • Система индикаторне стабилизације (на 3-степеним жироскопима).

За стабилизацию око две осе потребан је један жироскоп. Стабилизација се достиже само стабилизационим мотором. Для стабилизации вокруг двух осеј нужен один гироскоп. Стабилизация осуществляется тољко двигателями разгрузки.

Нови типови жироскопа[уреди]

Стално растући захтеви за тачност и експлатационе карактеристике жиро-уређаја терају научнике и инжињере многих земаља не само усавршавати класичне жироскопе са вртећим ротором, него и тражити принципиално нове идеје, који би могли да реше проблем стварања осетљивих сензора за мерење и изображења параметара угаоного кретања објекта.

Тренутно је познато више од стотине различитих појава и физичких принципа, који омогућују решавати жироскопске задатке. У Русији и САД је издато на хиљаде патената и ауторских сведочанастава за одговарајуће изуме и проналаске.

Због тога што су се жироскопи користили у системама навођења стратешких ракета дејствујућих на великим растојањима за време Хладног рата информација о великом броју истраживања, проведеним у тој области, класификују се као војна тајна.

Перспективним правцем развића су квантни жироскопи.

Играчке[уреди]

Жироскопски ефекти су искоришћени у играчкама попут чигре, јо-јо-а и пауерболлова. Многи други ротирајући уређаји, као што су замашњи, понашају се као гироскопи иако не користие гироскопски ефекат.

1917. године, Свјећарска Компанија Индианаполиса(Индиана) направила је „свјећарски жироскоп“, жироскопску играчку (јо-јо) са канапом за завртавање и постољем. Она је била у непрекидној производњи од тад и сматра се класичном Америчком играчком.

Перспективе развића жироскопије[уреди]

Постојећи на данашњи дан жироскопски системи су толико тачни, да многим потрошачима није потребно увеличење тачности, мада је скраћивање војних буджетних средстава код већине водећих сведских земаља, натерало инжињере из дане области да пређу на адаптпцију жироскопских система за примену у сфери свакодневних техничких производа. На пример, коришћење микромеханичких гироскопа за стабилизацију кретања аутомобила, видео-камера, фото-апарата, мобилних телефона и слично.

У исто време прогрес у области сателитске навигације GPS и GLONASS, по мишљењу присталица тог начина навигације, учинио је непотребним аутономна средства навигације за случајеве када се сателитски сигнал може примати непрекидно. Како они кажу, ради се о томе да ће тренутно грађена система навигационих сателита треће генерације омогућавати опредељење координата објеката на површини земље са тачношћу до неколико центиметара. Притом, по њиховим речима, отпада потреба у употраби чак и жироскопа за опредељење курса, јер сравњење података два пријемника сателитских сигнала, постављених на растојању од неколико метара, на пример, на крилима авиона, дозвољава израчунавати скретање авиона по велтикалној оси. Такав систем, би оставио без посла десетине хиљада радника предузећа која праве жироскопе за авионе и бродове.

Али, у пракси системи GPS нису способни да тачно определе положај у градским условима, при лошој видљивости сателита. Такви проблеми постоје и у шумским пределима. Чак и у авионима GPS, мада и ефикаснији него брзинометра на великим дистанцама, има већу погрешност како при измерењу углова (неки пут и на целе степене) користећи два GPS-пријемника, тако и при израчунавању курса путем опредељења брзине авиона. Зато је барем за сада најбоља варианта за навигационе системе — комбинација жироскопских система и GPS.

Урачунавајући набројане разлоге, може се рећи да је еволуција жироскопске технике за последње деценије дошла на праг важних промена, и баш због тога пажња специјалиста у области жироскопије је сада усмерена на тражење настандардних примена таквих прибора. Отвориле су се савршено нови интересантни задаци. То је т потрага нових корисних ископина, предсказивање земљотреса, сврхтачних опредељења положаја железничких путева и нафтовода, медицинска техника и много друго.

Историја[уреди]

Жироскоп који је измислио Леон Фуко, а направио Думоулином-Фроментом, 1852. Музеј Националне Консерваторије Уметности и Ремесла, Париз.

Најранији познати жироскоп израдио је Јохан Боненбергер 1817. године, мада га је он назвао једноставно „Машина“. Француски математичар Пјер-Симон Лаплас, радећи у Политехничкој школи у Паризу, препоручио је машину за коришћење као наставно помагало, тако ју је приметио Леон Фуко.[1] 1852. године, Фуко га је користио у експерименту за ротацију Земље и дао уређају његово данашње име. У експерименту се видела (Грчки скопин, видети) ротација (Грчки гирос, круг или ротација) Земље, иако је експеримент био неуспешан због трења које је ограничавало сваки покушај на неких 8 до 10 минута, што је време прекратко за увиђање значајних покрета.

1860-тих, електромотори су омогућили концепт изводљивим, што је довело до првог прототипа жирокомпаса. Први функционални морски жирокомпас направљен је између 1905 и 1908. године немачким проналазачем Херманом Аншутц-Кемпфемом. Американац Елмер Спјери уследио је са сопственим дизајном 1910. године, И други народи су убрзо схватили војну важност проналаска–у доба у којем је поморска моћ била најзначајнија мера војне снаге–и правили сопствене жироскопске индустрије. Жироскопска Компанија Спјери се брзо проширила да би обезбедила авионске и бродске стабилизаторе, а остали произвођачи су их следили у стопу.[2]

У првих неколико деценија 20. века, разни проналазачи покушавали су (безуспешно) да искористе жироскоп као основу за прве навигационе системе на основу црних кутија стварањем стабилне платформе са којих би се могла вршити прецизна мерења убрзања (да би искључили потребу за знањем положаја звезда за израчунавање положаја). Слични принципи су касније искоришћени у развоју унутрашњих система навођења за балистичке ракете.[3]

Жиростат[уреди]

Жиростат је варијанта је жироскопа. Први жиростат је пројектовао лорд Келвин да илуструје сложеније стање кретања ротирајућег тела док слободно лута на хоризонталној равни, као чигра на плочнику, обруч или бицикл на путу. Састоји се од масивног замашња скривеног у кућишту. Његово понашање на столу, или уз разне облике суспензија или подршки, служи за илустрацију интересантног обрта обичних закона статичке равнотеже због жиростатичког понашања невидљивог унутрашњег замашња док се овај убрзано окреће.

Референце[уреди]

  1. ^ Wagner JF, "The Machine of Bohnenberger," The Institute of Navigation [1]
  2. ^ MacKenzie, Donald. Inventing Accuracy: A Historical Sociology of Nuclear Missile Guidance. Cambridge: MIT Press, 1990. pp. 31-40. ISBN 978-0-262-13258-9.
  3. ^ MacKenzie (), стр. 40–42..

Чланци[уреди]

Књиге
  • Felix Klein and Arnold Sommerfeld, "Uber die Theorie des Kreisels" (Tr., About the theory of the gyroscope). Leipzig, Berlin, B.G. Teubner, 1898-1914. 4 v. illus. 25 cm.
  • Audin, M. Spinning Tops: A Course on Integrable Systems. New York: Cambridge University Press, 1996.

Литература[уреди]

Спољашње везе[уреди]

Документа
Лекције