обертання. Збереження вертикального становища. Це просто фізика, але вона дурить гравітацію майже магічним чином.
Гіроскопи звучать як маловідомі історичні пристрої, доки ви не зрозумієте, що вони є у смартфонах, дронах та літаках. По суті це пристрій, який використовує закон збереження моменту імпульсу для вимірювання або підтримки напрямку і кутової швидкості. Цей термін був введений французьким фізиком Леон Фуко в 1852 році і походить від грецьких слів gyros (коло) і scope (спостереження). Іншими словами, спостерігайте за обертанням.
Цикл історії
Фуко не винайшов гіроскоп із повітря. Він був одержимий ідеєю довести, що Земля обертається.
В 1851 він використовував важкий маятник, підвішений під куполом Пантеона в Парижі. Маятник гойдався годинами. Помешкання оберталося під ним. Цей ефект є прямим візуальним доказом обертання Землі, зумовленим силою Коріоліса. Але Фуко зрозумів ще дещо. Площина коливань маятника рухається повільніше, ніж обертання Землі, що визначається синусом широти.
Він працював із фізиком Жюлем Ліссажу та інженером Фроманом, щоб відточити механізм. Обмеживши рух маятника, вони створили пристрій, що збігається з меридіаном. Воно вказує північ. Так народився гіроскопічний компас.
Чому це важливо? Тому що магнітний компас марний поблизу магнітних полюсів. Він не обертається надто сильно і не вказує ні на що. Гіроскопічний компас знаходить справжню північ незалежно від того, де ви знаходитесь на планеті.
Однак його коріння сягає ще глибше. У 1810 році німецький астроном Йоганн Боненбергер винайшов перший триосьовий гіроскоп. Він назвав його “чудовою машиною”. Пізніше Фуко вдосконалив його, дав йому назву і показав, що ротор, що обертається, зберігає свою орієнтацію в просторі незалежно від обертання Землі.
До кінця XIX століття ці пристрої стали надавати руху моторами. Гіроскопічний компас замінив магнітні компаси на суднах із металевим корпусом, які спотворюють традиційні навігаційні інструменти. На початку XX століття військові оцінили їхню цінність. Гіроскопи необхідні стабілізації транспортних засобів, наведення торпед і, зрештою, управління літаками.
Як насправді працює гіроскоп
Ви, мабуть, бачили гіроскоп. Він схожий на дзигу.
Стандартний механічний гіроскоп складається з диска, що обертається, встановленого в ряд кілець, званих підвісами Кардану. Ці кільця дозволяють диску вільно обертатися у будь-якому напрямку.
Аналіз стійкості
Традиційні механічні пристрої включають:
- Диск, що обертається в центрі
- Вісь обертання, що проходить через центр диска
- Внутрішнє карданне кільце, що підтримується практично безфрикційними шарикопідшипниками
- Зовнішню раму
Центр ваги повинен знаходитись точно в центрі диска. Коли він вимкнений, вся конструкція надмірно вібрує.
Момент імпульсу
Магія полягає в моменті імпульсу (або моменті кількості руху). Це — векторна величина. Коли об’єкт обертається навколо осі симетрії, вектор моменту імпульсу спрямований вздовж осі.
Правила такі: якщо об’єкт не діє зовнішній момент сил, його імпульс залишається незмінним. Ось залишається стабільною. Ось чому ви не падаєте з велосипеда, коли рухаєтеся. Колеса, що обертаються, діють як гіроскопи і опираються змінам нахилу.
Чим швидше обертається диск, тим більше момент імпульсу. Тим стабільнішим є пристрій.
Прецесія
Що станеться, якщо змусити його втекти?
Якщо ви спробуєте нахилити вісь гіроскопа, що обертається, він не просто нахилиться. Він чинитиме опір. Натомість вал рухається перпендикулярно докладеній силі. Він описує мідний конічний шлях. Це прецесія.
Гіроскоп обертається, але не падає.
Подолання гравітації з допомогою математики.
Де його знайти сьогодні
Більше ніяких дисків, що обертаються у вашому телефоні. Це МЕМС (мікроелектромеханічні системи). Але принцип той самий.
Гіроскопи всюди. Вони є тихими стабілізаторами сучасного світу.
Аерокосмічна галузь
Сучасні літаки використовують гіроскопи для штучного горизонту та індикаторів становища. Пілоти літають приладами у хмарах. Гіроскоп показує їм де верх. Міжнародна космічна станція використовує гіроскопи підтримки стабільності. Без неї станція перекидалася б.
Споживча електроніка
Ваш смартфон має невеликий гіроскоп. Він визначає орієнтацію. Він розпізнає, чи ви тримаєте його вертикально чи горизонтально. Він забезпечує керування рухом в іграх. Стабілізує ваші фотографії та відео.
Системи стабілізації
Підвіси для камер, дронів і стедікам використовують гіроскопи для усунення тряски. Вони тримають об’єктив нерухомо, навіть коли оператор біжить.
Навігація та наведення
Ракети використовують гіроскопи підтримки курсу. Супутники використовують їх, щоб спрямовувати свої камери на Землю. Такі телескопи, як «Хаббл», використовують для підтримки точності прицілювання у вакуумі космосу.
Персональний транспорт
Скутери, що самобалансуються, і ховерборди повністю залежать від гіроскопів. Вони виявляють нахил та регулюють двигун, щоб тримати пристрій у вертикальному положенні.
Проблема тертя
Ранні гіроскопи страждали від тертя. Механічні частини зношувалися. Обертання сповільнювалося. Зрештою, пристрій переставав надавати корисну інформацію.
Останнє рішення усуває це.
У літаках гіроскопи зазвичай працюють від вакууму або електрики, щоб обертатися на високій швидкості з мінімальним опором. У космосі маховик діє як гіроскоп, використовуючи електродвигуни для обертання космічного апарату та зміни напрямку без включення двигунів.
Еволюція очевидна. Від маятника Фуко до мікроскопічних кремнієвих чіпів ціль залишається тією ж. Йдеться про те, щоб знати, куди ви спрямовані, навіть коли світ обертається довкола вас.
Ми сприймаємо як належне, що пристрої знають, де північ. Наші телефони знають, що згори. Наші літаки не падають із неба.
Це просто імпульс. Є також тертя. Є також безліч добре спроектованих проектів.
Але цього достатньо, щоб тримати мир на взводі.
