موضوع مقاله: ژیروسکوپ | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # ژیروسکوپ | مقدمه: یک ژیروسکوپ مکانیکی همیشه یک چرخ یا دیسک چرخنده با محور آزاد دارد که می‌تواند در هر جهتی قرار گیرد. | ## بخش 1: ژیروسکوپ | رفتار یک ژیروسکوپ مکانیکی نشان دهندهٔ پایستگی ویژگی‌های تکانهٔ زاویه‌ای (مقدار انرژی جنبشی و جهت آن به عنوان یک مقدار برداری) است. چون گشتاور خارجی توسط نگاه داشتن وسیله در یک حلقه کمینه می‌شود جهت آن تقریباً ثابت می‌ماند، صرف نظر از اینکه سطحی که وسیله روی آن قرار گرفته چقدر حرکت می‌کند. ژیروسکوپ‌های با فناوری حالت جامد هم وجود دارند مانند ژیروسکوپ‌های حلقهٔ لیزری، ژیروسکوپ‌های فیبر نوری و پیزوالکتریک. کاربردهای ژیروسکوپ شامل هدایت، زمانی که قطب‌های مغناطیسی کار نمی‌کنند (مانند موقعیت تلسکوپ هابل) یا به اندازهٔ کافی دقیق نیستند (مثل ICBM) یا برای پایدارسازی ماشین‌های پرنده مثل هلیکوپترهای هدایت شونده از راه دور یا پَهپادها می‌باشد. در تلفن‌های همراه نیز ژیروسکوپ کاربرد دارد وتحت عنوان چرخش خودکارصفحه (screen rotation) می‌توان آن را فعال کرد حسگر ژیروسکوپ در تلفن‌های همراه را ممکن است با حسگر شتاب‌سنج یکسان بدانند اما در حقیقت کار این دو با هم تفاوت دارد. این حسگر به وسیلهٔ چرخش دو حلقه و چگونگی قرارگیری و حرکت آن‌ها قابلیت تشخیص چرخش را ایجاد می‌کند. در وسایل و سامانه‌های مکانیکی یک ژیروسکوپ معمولی دارای ساختاری شامل یک روتور که برای چرخیدن به یک محور متصل شده‌است، ژورنال‌های روتور بر روی یک حلقه یا حلقه داخلی نصب شده، و حلقه داخلی برای نوسان بر روی یک حلقه خارجی که خود برای نوسان نسبت به یک تکیه‌گاه وصل شده‌است نصب شده‌است. حلقه یا حلقه خارجی همچنین برای لولا بودن به دور یک محور که بر روی صفحهٔ خودش که توسط تکیه‌گاه مشخص می‌شود نصب می‌گردد. حلقه داخلی به‌طوری بر روی حلقه خارجی نصب می‌شود که بر روی یک محور در صفحه خودش که همیشه بر محور حلقه خارجی عمود است لولا می‌شود. روتور برای چرخش به محوری متصل است که همیشه به محور حلقه داخلی عمود است؛ بنابراین روتور سه درجه آزادی چرخش دارد و محورش هم دو درجه دارد. رفتار یک ژیروسکوپ می‌تواند به سادگی با توجه به رفتار چرخ جلوی دوچرخه درک می‌شود. چرخانه به صورت هم‌زمان توانایی چرخش به حول یک محور و نیز ارتعاش به حول دو محور دیگر را داراست و بنابراین به جز مقاومت ذاتی اش به دلیل اسپین روتور می‌تواند به‌طور آزادانه در هر جهتی به حول نقطهٔ ثابت بچرخد. برخی ژیروسکوپ‌ها جایگزین‌های مکانیکی برای یک یا چند عنصر به کار رفته در این ساختار دارند. برای مثال روتور می‌تواند در یک سیال معلق شود به جای اینکه به صورت لولا به یک حلقه نصب شود. یک ژیروسکوپ کنترل گشتاور (CMG) مثالی از یک وسیله با حلقه خارجی ثابت است که بر روی هواپیما با هدف تأمین یا نگهداری یک زاویهٔ وضعیت مناسب یا جهت را با استفاده از نیروی مقاومت ژیروسکوپ استفاده می‌کند. در برخی انواع خاص حلقه خارجی یا معادلش می‌تواند حذف شود تا چرخانه تنها دو درجه آزادی داشته باشد. در برخی انواع مرکز جرم می‌تواند از محور نوسان فاصله داشته باشد و بنابراین مرکز جرم و مرکز تعلیق ممکن است یکی نباشد. | ## بخش 2: ژیروسکوپ | اولین ژیروسکوپ شناخته شده توسط یک آلمانی به نام یوهان بوهننبرگر که اولین بار در سال ۱۸۱۷ درباره‌اش نوشت ساخته شده‌است. در واقع اصطکاک زمان هر دور را به ۸ تا ۱۰ دقیقه محدود می‌کرد که زمان بسیار کوتاهی برای مشاهدهٔ یک حرکت قابل توجه بود. در سال‌های دهه ۱۹۶۰ موتورهای الکتریکی این مفهوم را امکان‌پذیر کردند و این به ساخته شدن اولین نمونه‌های قطب‌نماهای ژیروسکوپی انجامید. کمی بعد در همان سالElmer Sperry آمریکایی طراحی خود را ادامه داد و به زودی ملت‌های دیگر هم اهمیت نظامی این اختراع را دریافتند، (در زمانی که قدرت دریایی مهم‌ترین ابزار سنجش قدرت نظامی بود) و صنایع ژیروسکوپ خود را ساختند. این وسیله تا امروز تولیدش ادامه پیدا کرده‌است و به عنوان یک اسباب بازی کلاسیک آمریکایی شناخته می‌شود. در اولین دهه‌های قرن بیستم، سایر مخترعان به صورت ناموفق تلاش کردند که از ژیروسکوپ به عنوان پایه‌ای برای جعبه سیاه سیستم‌های ترابری به وسیلهٔ ساختن یک پایهٔ پایدار که بر اساس آن اندازه‌گیری دقیق شتاب امکان‌پذیر باشد (به منظور رفع نیاز برای رویت ستارگان برای محاسبهٔ موقعیت) استفاده کنند. ژیروسکوپ‌ها می‌توانند در ساخت قطب‌نماهای ژیروسکوپ که کامل‌کننده یا جایگزینی برای قطب‌نماهای مغناطیسی در کشتی‌ها، هواپیماها، فضاپیماها و کلاً وسایل حمل و نقل، برای کمک به پایداری در کشتی‌ها، تلوسکوپ فضایی هابل دوچرخه‌ها و موتورها یا به عنوان بخشی از یک سیستم inertial guidance مورد استفاده قرار گیرد. بسیاری از وسایل چرخندهٔ دیگر مثل چرخ طیار هم رفتار ژیروسکوپی دارند اگرچه خاصیت ژیروسکوپ آن‌ها مورد استفاده قرار نمی‌گیرند. معادله اساسی که رفتار یک ژیروسکوپ را توصیف می‌کند به صورت زیر است: که در آن τ,Lبه ترتیب ممنتوم زاویه‌ای و گشتاور ژیروسکوپ، I ممان اینرسی، بردار ωسرعت زاویه‌ای و αشتاب زاویه‌ای آن است. از این رابطه نتیجه می‌شود که گشتاورτ که عمود بر محور چرخش و بنابراین عمود بر L وارد شود منجر به چرخشی در راستای محوری عمود بر τو Lمی‌شود. در این حالت ژیروسکوپ به نظر می‌رسد که بر جاذبه غلبه می‌کند و محورش افقی باقی می‌ماند. زمانی که یک طرف محور آزاد و بی تکیه‌گاه است و طرف دیگرش به آرامی دایره‌ای را در صفحه‌ای موازی افقی می‌پماید. نیروی جاذبه که به‌طور عمود به سمت پایین بر مرکز جرم وارد می‌شود و یک نیروی مساوی به طرف بالا که به طرف تکیه‌گاه وسیله وارد می‌شود. چرخش ناشی از این گشتاور به سمت پایین نیست تا به‌طوری‌که احتمالاً مورد انتظار است وسیله به زمین بخورد، در واقع بر آیند اینها عمود بر هر دو گشتاور جاذبه‌ای (افقی و عمود بر محور چرخش) و محور چرخش (افقی و به سمت بالا از محل تکیه گاه) یعنی یه دور یک محور عمودی خواهد بود که موجب می‌شود وسیله به آرامی حول نقطهٔ تکیه گاهش بچرخد. تحت یک اندازهٔ گشتاور ثابت τ سرعت تغییر جهت، ΩP به صورت معکوس با L متناسب است و نیز با اندازهٔ ممان زاویه‌ای آن: که در آن θزاویهٔ بین بردارهای Lو ΩP است؛ بنابراین اگر سرعت چرخش ژیروسکوپ کاهش یابد (برای مثال به دلیل اصطکاک) ممان زاویه‌ای آن کاهش پیدا می‌کند و در نتیجهٔ آن نرخ Precession آن افزایش پیدا می‌کند. برای تعیین راحت جهت اثر ژیروسکوپ به سادگی به خاطر داشته باشید که یک چرخ در حال چرخش وقتی که به گوشه می‌رود به طرف داخل به چرخش در می‌آید. پدیده تقدم در ژیروسکوپ زمانی که ژیروسکوپ تحت‌تأثیر نیروهای خارجی یا چرخش حول یک محور خاص قرار می‌گیرد، از تقدم (حرکت تقدیمی) برای تعیین جهت‌گیری استفاده می‌شود. | ## بخش 3: ژیروسکوپ | تقدم زمانی رخ می‌دهد که بخش در حال چرخش روی یک محور، گشتاور خارجی عمود بر محور چرخشی را تجربه کند. گشتاور اعمال‌شده در جهت مخالف با استفاده از یک موتور یا ماشین دیگر، می‌تواند حرکت تقدیمی را متوقف و جهت را حفظ کند. دو ژیروسکوپ که عمود بر یکدیگر قرار گرفته‌اند نیز می‌توانند مانع حرکت تقدیمی شوند. این دستگاه به‌طور خاص برای مطالعه رفتارهای دینامیکی سیستم‌ها تحت تأثیر نیروهای خارجی استفاده می‌شود. اصول کار ژیروستات ژیروستات بر اساس اصول حرکت چرخشی و اینرسی زاویه‌ای عمل می‌کند. این چرخش باعث تولید اینرسی زاویه‌ای می‌شود که طبق فرمول زیر محاسبه می‌شود: در این فرمول، اینرسی زاویه‌ای، ممان اینرسی، و سرعت زاویه‌ای است. این قانون بیان می‌کند که در غیاب گشتاور خارجی، اینرسی زاویه‌ای یک سیستم ثابت می‌ماند. پریسشن (Precession) اگر یک گشتاور خارجی به محور ژیروسکوپ وارد شود، محور ژیروسکوپ تغییر جهت می‌دهد که به این پدیده پریسشن گفته می‌شود. سرعت پریسشن با رابطه زیر تعیین می‌شود: در این رابطه، گشتاور وارد شده و اینرسی زاویه‌ای است. این رابطه نشان می‌دهد که سرعت پریسشن متناسب با گشتاور وارد شده و معکوساً متناسب با اینرسی زاویه‌ای است. نوتیشن (Nutation) در صورتی که محور چرخش ژیروسکوپ علاوه بر پریسشن، نوسانات کوچکی نیز داشته باشد، این حرکت به عنوان نوتیشن شناخته می‌شود. نوتیشن‌ها معمولاً در اثر تغییرات لحظه‌ای در گشتاورهای خارجی به وجود می‌آیند و منجر به نوسانات کوچکی در جهت محور چرخش می‌شوند. معادلات حرکت ژیروستات حرکت ژیروستات توسط معادلات دیفرانسیل پیچیده‌ای توصیف می‌شود که از قوانین نیوتن و معادلات اویلر برای اجسام صلب مشتق شده‌اند. معادلات اصلی حرکت برای ژیروستات به صورت زیر است: در این معادله: ماتریس ممان اینرسی ژیروستات است. این معادلات نشان می‌دهند که چگونه گشتاورهای وارد شده به ژیروستات باعث تغییرات در سرعت زاویه‌ای و در نتیجه تغییر جهت محور چرخش می‌شوند. | ## جمع‌بندی | هر حجم چرخانی خواص و رفتار ژیروسکوپ دارد ولی این وسیله‌ها شامل اینکه حداقل یک محور نوسان حاضر باشد.