شاید برای شما هم این سوال پیش آمده باشد که چرا دوچرخه در حالت سکون به زمین می‌افتد، ولی دوچرخه در حال حرکت می‌تواند تعادل خودش را حفظ کند؟ ژیروسکوپ (Gyroscope) یکی از مفاهیم دشوار فیزیک است که درک آن، به دقت و توجه زیادی نیاز دارد. در این مطلب در مورد این که ژیروسکوپ چیست و چند نوع دارد صحبت می کنیم.
ژیروسکوپ چیست؟
ژیروسکوپ، دستگاهی حاوی یک چرخ به سرعت در حال چرخش یا پرتو نور در گردش است که برای تشخیص انحراف یک جسم از جهت دلخواهش استفاده می شود. ژیروسکوپ ها در قطب نما و خلبانان خودکار در کشتی ها و هواپیماها، در مکانیسم های هدایت اژدرها، و در سیستم های هدایت اینرسی نصب شده در وسایل نقلیه پرتاب فضایی، موشک های بالستیک و ماهواره های در مدار استفاده می شوند.
قطعات ژیروسکوپ
ژیروسکوپ از قسمت های زیر تشکیل شده است:
- محور چرخش
- گیمبال
- روتور
- قاب ژیروسکوپ
طراحی ژیروسکوپ
ژیروسکوپ را می توان به عنوان یک روتور عظیم در نظر گرفت که بر روی حلقه های نگهدارنده معروف به گیمبال ثابت می شود. روتور مرکزی با کمک بلبرینگ های بدون اصطکاک که در گیمبال ها وجود دارد از گشتاورهای خارجی جدا می شود. محور چرخش توسط محور چرخ ریسندگی تعریف می شود.
روتور در سرعت های بالا پایداری استثنایی دارد زیرا محور چرخش با سرعت بالا را در روتور مرکزی حفظ می کند. روتور سه درجه آزادی چرخشی دارد.
اصل کار ژیروسکوپ
اصل کار ژیروسکوپ بر اساس گرانش است و به عنوان حاصل ضرب تکانه زاویه ای توضیح داده می شود که توسط گشتاور روی یک دیسک برای ایجاد یک حرکت ژیروسکوپی در چرخ در حال چرخش تجربه می شود.
این فرآیند حرکت ژیروسکوپی یا نیروی ژیروسکوپی نامیده می شود و به عنوان تمایل یک جسم در حال چرخش برای حفظ جهت چرخش خود تعریف می شود.
می دانیم که جسم در حال چرخش دارای تکانه زاویه ای است و این باید حفظ شود. این کار به این دلیل انجام می شود که وقتی هر تغییری در محور چرخش ایجاد می شود، تغییری در جهت ایجاد می شود که حرکت زاویه ای را تغییر می دهد. بنابراین می توان گفت که اصل کار ژیروسکوپ بر پایه حفظ تکانه زاویه ای است.
انواع ژیروسکوپ
سه نوع ژیروسکوپ به شرح زیر است:
- ژیروسکوپ مکانیکی
- ژیروسکوپ نوری
- ژیروسکوپ گازدار
ژیروسکوپ مکانیکی
ژیروسکوپ های مکانیکی بر اساس یک اصل است که در قرن نوزدهم توسط ژان برنارد-لئون فوکو، فیزیکدان فرانسوی که نام ژیروسکوپ را به چرخ یا روتوری که در حلقه های گیمبال نصب شده است، کشف کرد. تکانه زاویه ای روتور در حال چرخش باعث شد که حتی زمانی که مجموعه گیمبال کج شده بود، وضعیت خود را حفظ کند. در طول دهه 1850 فوکو آزمایشی را با استفاده از چنین روتوری انجام داد و نشان داد که چرخ چرخنده بدون توجه به چرخش زمین جهت اولیه خود را در فضا حفظ می کند.
این توانایی تعدادی از کاربردها را برای ژیروسکوپ به عنوان نشانگر جهت پیشنهاد کرد و در سال 1908 اولین ژیروسکوپ قابل کار توسط مخترع آلمانی H. Anschütz-Kaempfe برای استفاده در یک شناور ساخته شد. در سال 1909، مخترع آمریکایی، Elmer A. Sperry اولین خلبان خودکار را با استفاده از ژیروسکوپ ساخت تا هواپیما را در مسیر نگه دارد. اولین خلبان خودکار برای کشتی ها در سال 1916 توسط یک شرکت آلمانی در یک کشتی مسافربری دانمارکی نصب شد و در همان سال از ژیروسکوپ در طراحی اولین افق مصنوعی برای هواپیما استفاده شد.
ژیروسکوپ ها برای هدایت خودکار و اصلاح چرخش و حرکت زمین در موشک های کروز و بالستیک از زمان موشک های آلمانی V-1 و موشک های V-2 در جنگ جهانی دوم استفاده شده اند. هم چنین در طول آن جنگ، توانایی ژیروسکوپ ها برای تعیین جهت با درجه بالایی از دقت، که همراه با مکانیسم های کنترل پیچیده مورد استفاده قرار می گرفت، منجر به توسعه دوربین های تثبیت شده، بمب ها و سکوهایی برای حمل تفنگ ها و آنتن های رادار روی کشتی ها شد.
سیستم های هدایت اینرسی که توسط فضاپیماهای مداری استفاده می شوند به یک سکوی کوچک نیاز دارند که تا حد فوق العاده ای از دقت تثبیت شده باشد. این هنوز توسط ژیروسکوپ های سنتی انجام می شود. دستگاه های بزرگ تر و سنگین تری به نام چرخ های تکانه (یا چرخ‌های واکنش) نیز در سیستم های کنترل وضعیت برخی از ماهواره ها استفاده می شوند.
ژیروسکوپ نوری
ژیروسکوپ های نوری، که تقریباً هیچ قطعه متحرکی ندارند، در هواپیماهای تجاری، موشک های تقویت کننده و ماهواره های در مدار استفاده می شوند. چنین وسایلی بر اساس اثر Sagnac هستند که برای اولین بار توسط دانشمند فرانسوی ژرژ ساگناک در سال 1913 نشان داده شد.
در نمایش Sagnac، یک پرتو نور به گونه ای تقسیم شد که بخشی در جهت عقربه های ساعت و بخشی در خلاف جهت عقربه های ساعت حول یک سکوی دوار حرکت کرد. اگرچه هر دو پرتو در یک حلقه بسته حرکت می کردند، پرتوی که در جهت چرخش سکو حرکت می کرد، کمی پس از حرکت پرتوی مخالف چرخش به نقطه مبدا بازگشت. در نتیجه، یک الگوی “تداخل حاشیه” (باندهای متناوب نور و تاریکی) شناسایی شد که به سرعت چرخش دقیق صفحه گردان بستگی داشت.
ژیروسکوپ هایی که از اثر Sagnac استفاده می کردند در دهه 1960 و پس از اختراع لیزر و توسعه فیبر نوری ظاهر شدند. در ژیروسکوپ لیزری حلقه ای، پرتوهای لیزر تقسیم شده و سپس از طریق سه حلقه توخالی عمود بر یکدیگر که به وسیله نقلیه متصل شده اند، در مسیرهای مخالف هدایت می شوند.
در واقع، “حلقه ها” معمولا مثلث، مربع یا مستطیل پر از گازهای بی اثر هستند که از طریق آن ها پرتوها توسط آینه ها منعکس می شوند. همان طور که وسیله نقلیه یک حرکت چرخشی یا شیب دار را انجام می دهد، الگوهای تداخل ایجاد شده در حلقه های مربوطه ژیروسکوپ توسط سلول های فوتوالکتریک اندازه گیری می شوند. سپس الگوهای هر سه حلقه به منظور تعیین سرعت چرخش کاردستی در سه بعدی به صورت عددی ادغام می شوند. نوع دیگری از ژیروسکوپ نوری، ژیروسکوپ فیبر نوری است که از لوله ها و آینه های توخالی صرف نظر می کند تا نور را از فیبرهای نازکی که به طور محکم در اطراف یک قرقره کوچک پیچیده شده اند، عبور دهد.
ژیروسکوپ حامل گاز
در ژیروسکوپ حامل گاز، با تعلیق روتور به کمک گاز تحت فشار، میزان اصطکاک بین قطعات متحرک کاهش می یابد. ناسا در ساخت تلسکوپ هابل از ژیروسکوپ حامل گاز استفاده کرد. در مقایسه با انواع دیگر ژیروسکوپ ها، بلبرینگ گاز ساکت تر و دقیق تر است.
کاربردهای ژیروسکوپ
- ژیروسکوپ ها در قطب نماهای قایق ها، فضاپیماها و هواپیماها کاربرد دارند. جهت و گام هواپیما در برابر چرخش ثابت ژیروسکوپ تعیین می شود.
- در فضاپیماها جهت یابی هدف مورد نظر با کمک ژیروسکوپ انجام می شود. مرکز چرخش ژیروسکوپ به عنوان نقطه جهت گیری استفاده می شود.
- تثبیت قایق ها و ماهواره های بزرگ با کمک ژیروسکوپ های عظیم انجام می شود.
- ژیروسکوپ ها در ژیروتئودولیت ها برای حفظ جهت در استخراج تونل استفاده می شوند.
- ژیروسکوپ به همراه شتاب سنج‌ها در طراحی گوشی های هوشمند استفاده می شوند که حس حرکت عالی را ارائه می‌کنند.
ما را در اینستاگرام دنبال کنید.
