Mikä on gyroskooppi?
Gyroskooppi on laite, jota käytetään kohteen suunnan ja kulmanopeuden ylläpitämiseen tai säilyttämiseen. Tässä se hyödyntää liikemäärän suunnan säilymisen periaatetta. Vapaasti pyörivällä levyllä varustettu gyroskooppi pystyy ottamaan kaikki mahdolliset asennot säilyttäen samalla pyörimisakselinsa muuttumattomana.
Kun gyroskoopin pyörivä levy pyörii, laitteen pyörimisakseli pysyy vakaana jopa kaltevalla alustalla. Levyn nopeuden kasvaessa myös kiertomomentti kasvaa, mikä vakauttaa gyroskoopin ja sen sisältämän kohteen.
Prekessio
Jos pyörivään gyroskooppiin kohdistuu voima sen akselille, se menettää tasapainonsa. Akseli liikkuu hitaammin ns. preessio-liikettä noudattaen. Gyroskooppi jatkaa pyörimistään, mutta ei kaadu.
Gyroskooppi ja kineettinen liike
Fysiikassa ja klassisessa mekaniikassa gyroskooppi ja kineettinen liike ovat erottamattomasti sidoksissa toisiinsa. Ensimmäinen viittaa pyörimisen ja kulma-asennon havainnointimekanismiin, kun taas jälkimmäinen on vektorisuure, jota käytetään tämän saman pyörimisen säilyttämisessä. Tutustu tässä kaikkeen, mitä sinun tarvitsee tietää gyroskoopista ja kineettisestä momentista.
Kineettinen momentti
Kineettinen momentti, jota kutsutaan myös kulmamomentiksi, on vektorisuure, jonka suunta ja merkki ovat samat kuin kulmanopeuden. Jotta tämä olisi mahdollista, kohteen pyörimisakselin on oltava myös sen symmetria-akseli.
Pisteen M ja pisteen O välillä kineettinen momentti on yhtä suuri kuin liikemäärän momentti suhteessa pisteeseen O, Wikipedian mukaan. Kun kineettinen momentti ei muutu, pyörimisakseli pysyy vakaana. Tämä on kineettisen momentin säilymislaki eli gyroskooppinen vaikutus.
Gyroskooppinen vaikutus
Tämän mekanismin konkreettiseksi ymmärtämiseksi ota polkupyörän pyörä. Pidä sitä käsivarren mitan päässä navan muttereista kiinni. Pyydä jotakuta pyörittämään pyörää nopeasti. Jos yrität kallistua kohti pyörivää pyörää, tunnet vastusta. Pyörimismomentin säilymislaki vastustaa tätä liikettä. Juuri gyroskooppinen vaikutus pitää pyörän tasapainossa. On tärkeää huomata, että gyroskooppinen vaikutus kasvaa pyörimisnopeuden kasvaessa.
Gyroskoopin historia
Ensimmäisen kolmiakselisen gyroskoopin keksi Léon Foucault vuonna 1852. Foucault tunnetaan Foucault’n heilurin luojana. Maapallon pyörimistä koskevan kokeen aikana Foucault huomasi, että hänen heilurinsa pyöri hitaasti suhteessa Maapallon pyörimiseen. Tämä koe johti siihen, että hän suunnitteli laitteen, joka pystyi säilyttämään nopean pyörimisen riittävän pitkään. Yhdessä yhteistyökumppaninsa Formentin kanssa hän kehitti gyroskoopin. Hän huomasi myös, että tämä uusi laite pystyi osoittamaan pohjoisen ja suuntautumaan meridiaanin suuntaan. Hän kutsui sitä gyroskooppikompassiksi.
1800-luvun lopulta lähtien ensimmäiset moottorikäyttöiset gyroskoopit tulivat markkinoille. Gyrokompasseja käytetään nykyään maantieteellisen pohjoisen osoittamiseen, ei magneettisen pohjoisen. Ne korvaavat myös laivojen kompassit. 1900-luvulta lähtien gyrokompasseja on käytetty sotilasaseistuksessa.
Nykyään gyroskooppeja käytetään myös elektronisten laitteiden vakauden ylläpitämiseen. Niitä löytyy nykyään kelloista, mutta myös älypuhelimista, joissa ne esiintyvät elektromekaanisten inertiakompassien muodossa.
Gyroskoopin osat
Mekaaninen gyroskooppi koostuu pääasiassa seuraavista osista:
- keskellä oleva pyörivä levy. Tämän levyn keskellä sijaitsee gyroskoopin painopiste, jota ilman laite ei voi toimia.
- pyörimisakseli, joka kulkee levyn keskiön läpi ja osoittaa mihin tahansa suuntaan.
- Kolme kardaania (pyörivä tuki, jonka avulla esine voi pyöriä yhden akselin ympäri), jotka mahdollistavat kolmiakselisen gyroskoopin:
- Ensimmäinen on kiinnitetty akseliin kuulalaakereiden avulla.
- Toinen on kiinnitetty sisäakseliin
- Kolmas on kiinnitetty ulkokehykseen
Gyroskoopin käyttökohteet
Gyroskooppia käytetään nykyään monilla muillakin aloilla kuin fysiikassa sekä lukuisilla toimialoilla (teollisuus, ilmailu, öljyteollisuus jne.). Sitä käytetään:
- Torpedojen ja ohjusten ohjaus
- Lentokoneen käännösten koordinointi tai osoittaminen
- Tiettyjen stressinlievittäjien, kuten hyrrien, jojojen, vorteconien tai spinnerien, valmistuksessa
- Kameran vakauttaminen liikkuvan kohteen kuvaamisen aikana
- Moottoripyörien, polkupyörien tai tasapainossa pysyvien kaksipyöräisten ajoneuvojen rakentaminen
- Radio-ohjattavien helikoptereiden rakentaminen ja paljon muuta
Lisäksi tätä laitetta käytetään myös avaruusasemilla, Hubble-avaruusteleskoopin kyydissä sekä monilla muilla fysiikan asiantuntijoiden aloilla.