Čo je to gyroskop?
Gyroskop je prístroj, ktorý slúži na udržanie alebo zachovanie orientácie a uhlovej rýchlosti objektu. Na tento účel využíva princíp zachovania orientácie hybnostného momentu. Gyroskop je vybavený voľne sa otáčajúcim diskom a je schopný zaujať všetky možné orientácie, pričom si zachováva nemennú os otáčania.
Keď sa totiž rotačný disk gyroskopu otáča, os otáčania prístroja zostáva stabilná aj na naklonenej podložke. Ako disk naberá rýchlosť, zvyšuje sa aj hybnostný moment, čím sa stabilizuje gyroskop aj predmet, v ktorom je umiestnený.
Precesný pohyb
Ak by počas otáčania pôsobila na os nejaká sila, gyroskop by sa dostal do nerovnováhy. Os sa pohybuje pomalšie a sleduje kužeľovitý pohyb nazývaný precesný pohyb. Gyroskop sa naďalej otáča, ale nepadá.
Gyroskop a kinetická energia
V klasickej fyzike a mechanike sú gyroskop a kinetický pohyb neoddeliteľne spojené. Kým prvý označuje mechanizmus na pozorovanie rotácie a uhlovej polohy, druhý je vektorová veličina používaná na zachovanie tej istej rotácie. Zistite tu všetko, čo potrebujete vedieť o gyroskope a kinetickom momente.
Kinematický moment
Kinematický moment, nazývaný tiež uhlový moment, je vektorová veličina, ktorá má rovnaký smer a rovnakú orientáciu ako uhlová rýchlosť. Aby to bolo možné, musí byť os otáčania telesa zároveň aj jeho osou symetrie.
Podľa Wikipédie je hybnostný moment medzi bodom M a bodom O rovný momentu hybnosti vzhľadom na bod O. Keď sa hybnostný moment nemení, os otáčania zostáva stabilná. Ide o zachovanie hybnostného momentu alebo gyroskopický efekt.
Gyroskopický efekt
Aby ste tento mechanizmus konkrétne pochopili, vezmite si bicyklové koleso. Držte ho na dĺžku ruky za matice náboja. Poproste niekoho, aby koleso rýchlo roztočil. Ak sa pokúsite nakloniť smerom k rotujúcemu kolesu, pocítite odpor. Je to zachovanie rotačného momentu, ktoré bráni tomuto pohybu. Je to gyroskopický efekt , ktorý udržuje toto koleso v rovnováhe. Je dôležité poznamenať, že gyroskopický efekt sa zvyšuje s rýchlosťou otáčania.
História gyroskopu
Prvý trojosový gyroskop vynájdený v roku 1852 Léonom Foucaultom. Ten je známy ako tvorca Foucaultovho kyvadla. Pri experimente týkajúcom sa rotácie Zeme si Foucault uvedomil, že jeho kyvadlo sa otáča pomalšie v porovnaní s rotáciou Zeme. Tento experiment ho viedol k navrhnutiu prístroja schopného udržať rýchlu rotáciu po pomerne dlhú dobu. Spolu so svojím spolupracovníkom Formentom vytvoril gyroskop. Zistil tiež, že tento nový prístroj je schopný ukázať sever a zarovnať sa s poludníkom. Nazval ho gyroskopický kompas.
Od konca 19. storočia sa začali objavovať prvé motorizované gyroskopy. Gyrokompasy sa od tej doby používajú na určovanie geografického severu, nie magnetického severu. Nahradili tiež lodné kompasy. Od 20. storočia sa gyroskopické kompasy používali vo vojenskej výzbroji.
Dnes sa gyroskopy používajú aj na udržanie stability elektronických zariadení. Nachádzajú sa v hodinkách, ale aj v smartfónoch, kde majú podobu mikroelektromechanických inerciálnych systémov.
Súčasti gyroskopu
Mechanický gyroskop sa skladá v podstate z nasledujúcich častí:
- rotujúci disk v strede. V strede tohto disku sa nachádza ťažisko gyroskopu, bez ktorého by prístroj nemohol fungovať.
- Osa otáčania, ktorá prechádza stredom disku a smeruje do ľubovoľného smeru.
- Tri kardanové kĺby (otočný držiak, ktorý umožňuje objektu otáčať sa okolo jedinej osi), vďaka ktorým je gyroskop trojosový:
- Prvý je upevnený k osi pomocou guľôčkových ložísk.
- Druhý je upevnený k vnútornej osi
- Tretí je upevnený k vonkajšiemu rámu
Využitie gyroskopu
Gyroskop sa dnes používa v mnohých oblastiach okrem fyziky, ako aj v mnohých odvetviach (priemysel, letectvo, ropný priemysel atď.). Používa sa v:
- Navádzaní torpéd a rakiet
- Koordinácia alebo signalizácia zatáčky v lietadle
- Výrobe niektorých predmetov na odbúravanie stresu, ako sú vŕtačky, jo-jo, vortecony alebo spinnery
- Stabilizácii kamery pri snímaní pohybujúceho sa objektu
- Stavba motocyklov, bicyklov alebo dvojkolesových vozidiel v rovnováhe
- Stavba diaľkovo ovládaných vrtuľníkov a mnoho ďalších
Okrem toho sa tento prístroj používa aj na vesmírnych staniciach, na palube vesmírneho teleskopu Hubble a v rôznych ďalších oblastiach vyhradených pre odborníkov v oblasti fyziky.