Какво е жироскоп?
Жироскопът е уред, който служи за поддържане или запазване на ориентацията и ъгловата скорост на даден обект. За тази цел той използва принципа на запазване на ориентацията на кинетичния момент. Оборудван с диск, който се върти свободно, жироскопът е способен да приема всички възможни ориентации, като същевременно запазва оста си на въртене непроменена.
Всъщност, когато въртящият се диск на жироскопа се върти, оста на въртене на уреда остава стабилна, дори и върху наклонена повърхност. С нарастването на скоростта на диска кинетичният момент също става по-голям, като по този начин стабилизира жироскопа и обекта, в който се намира.
Движението на прецесия
По време на въртене, ако върху оста се упражни сила, жироскопът излиза от равновесие. Оста се премества по-бавно, следвайки конично движение, наречено прецесионно движение. Жироскопът продължава да се върти, но не пада.
Жироскопът и кинетичната енергия
В класическата физика и механика жироскопът и кинетичното движение са неразделни един от друг. Докато първият обозначава механизъм за наблюдение на въртенето и ъгловото положение, вторият е векторна величина, използвана за запазване на същото това въртене. Открийте тук всичко, което трябва да знаете за жироскопа и кинетичния момент.
Кинетичният момент
Наричан още ъглов момент, кинетичният момент е векторна величина, която има същата посока и същия смисъл като ъгловата скорост. За да е възможно това, осът на въртене на обекта трябва да е и неговата ос на симетрия.
От материална точка M до точка O кинетичният момент е равен на момента на импулса спрямо точка O, според Уикипедия. Когато кинетичният момент не се променя, оста на въртене остава стабилна. Това е запазването на кинетичния момент или гироскопичният ефект.
Жироскопичният ефект
За да разберете конкретно този механизъм, вземете колело от велосипед. Дръжте го с изпънати ръце за гайките на главината. Помолете някого да завърти колелото бързо. Ако се опитате да се наведете към въртящото се колело, ще усетите съпротивление. Това е запазването на въртящия момент, което се противопоставя на това движение. Именно гироскопичният ефект позволява да се поддържа равновесието на това колело. Важно е да се отбележи, че гироскопичният ефект нараства с скоростта на въртене.
История на жироскопа
Първият триосен жироскоп е изобретен от Леон Фуко през 1852 г. Той е известен като създател на махалото на Фуко. По време на експеримент, свързан с въртенето на Земята, Фуко забелязал, че махалото му се върти бавно в сравнение с въртенето на Земята. Този експеримент го подтиква да проектира уред, способен да поддържа бързо въртене в продължение на достатъчно дълго време. Заедно със своя сътрудник Формент той създава жироскопа. Той също така забелязва, че този нов уред е способен да показва север и да се ориентира по меридиана. Нарича го жироскопичен компас.
От края на 19-ти век се появяват първите моторизирани жироскопи. Жирокомпасите вече се използват за определяне на географския север, а не на магнитния север. Те заменят и компасите на корабите. От 20-ти век нататък жироскопичните компаси се използват във военното въоръжение.
Днес жироскопите се използват и за поддържане на стабилността на електронните устройства. Вече се срещат в часовници, но също и в смартфони, където приемат формата на микросистеми електромеханични инерционни системи.
Компонентите на един жироскоп
Механичният жироскоп се състои основно от следните елементи:
- Един въртящ се диск в центъра. В центъра на този диск се намира центърът на тежестта на жироскопа, без който уредът не може да функционира.
- ос на въртене, която минава през центъра на диска и сочи в произволна посока.
- Три кардана (въртяща се опора, която позволява на даден обект да се върти около една-единствена ос), които позволяват да се получи триосен жироскоп:
- Първият е закрепен към оста чрез сачмени лагери.
- Вторият е закрепен към вътрешната ос
- Третият е закрепен към външната рамка
Приложения на жироскопа
Днес жироскопът се използва в редица области извън физиката, както и в много сектори (промишленост, авиация, нефтена промишленост и др.). Той се използва в:
- Насочването на торпеда и ракети
- Координацията или сигнализирането на завои в самолета
- Производството на някои антистресови предмети като въртележки, йо-йо, вортекони или спинъри
- Стабилизиране на камерата при заснемане на движещ се обект
- Конструирането на мотоциклети, велосипеди или двуколесни превозни средства в равновесие
- Конструирането на радиоуправляеми хеликоптери и много други
Освен това този инструмент се използва и в космическите станции, на борда на космическия телескоп „Хъбъл“ и в различни други области, запазени за експертите по физика.