چرخش‌نما

توصیف و نمودار

در وسایل و سامانه‌های مکانیکی یک چرخش‌نما 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 خارجی یک درجه آزادی چرخش دارد و محورش هم هیچ آزادی ندارد. 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.
محور چرخ دوار محور چرخش را تعریف می‌کند. حلقه داخلی دو درجه آزادی چرخش دارد و محورش هم یک درجه آزادی دارد. 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. چرخ به نیروی وارد بر محور ورودی با نیروی عکس‌العمل به محور خروجی پاسخ می‌دهد.
رفتار یک ژیروسکوپ می‌تواند به سادگی با توجه به رفتار چرخ جلوی دوچرخه درک می‌شود. اگر چرخ از محور عمود به سمت چپ متمایل شود لبه جلوی چرخ هم به سمت چپ می‌چرخد. به عبارت دیگر چرخش بر روی یک مورد چرخ چرخان، چرخش در محور سوم را موجب می‌شود.
یک flywheel ژیروسکوپ می‌چرخد یا مقاومت می‌کند بسته به اینکه حلقه خارجی در ساختار آزاد یا بسته باشد. مثال‌های از وسایل با حلقه خارجی آزاد می‌تواند ژیروسکوپ‌های با مرجع جهت(attitude reference gyroscope) باشند که برای اندازه‌گیری زاویه در راستای سه محور مختصات (غلت و تاب و انحراف سمت) در یک فضاپیما یا هواپیما مورد استفاده قرار می‌گیرند.
مرکز جرم چرخانه می‌تواند در یک موقعیت ثابت باشد. 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 چرخش‌نما 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.

تاریخچه

اولین ژیروسکوپ شناخته شده توسط یک آلمانی به نام یوهان بوهننبرگر که اولین بار در سال ۱۸۱۷ درباره‌اش نوشت ساخته شده‌است. در ابتدا او آن را «ماشین» نامید. ژیروسکوپ بوهننبرگر بر اساس یک کرهٔ بزرگ چرخنده ساخته شد. در سال ۱۸۳۲ والتر جانسون آمریکایی ژیروسکوپی ساخت که براساس دیسک چرخنده کار می‌کرد. ریاضیدان فرانسوی پیر لاپلاس زمانی که در دانشگاه اکول پلی‌تکنیک کار می‌کرد این ماشین را به عنوان ابزار کمک آموزشی پیشنهاد کرد و به این شکل این وسیله در معرض توجهLéon Foucault قرار گرفت. در سال۱۸۵۲ Foucault که در حال انجام یک آزمایش برای دیدن چرخش زمین بود، به این وسیله نام جدید خود را داد.
اگرچه این آزمایش به دلیل وجود اصطکاک ناموفق بود. 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. اولین قطب‌نمای ژیروسکوپی در سال ۱۹۰۸ توسط مخترع آلمانی HermannAnschutz-Kaempfe معرفی شد. 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. شرکت Sperry Gyroscope به زودی فعالیت خود را به ساخت پایدارکنندهای هواپیماها و کشتی‌ها هم توسعه داد و سایر سازندگان چرخش‌نما هم به این کار پرداختند. در سال ۱۹۱۷ شرکت Chandler Company of Indianapolis در ایندیانا «ژیروسکوپ Chandler» را به عنوان یک اسباب بازی با یک محور و یک بند تولید کرد. این وسیله تا امروز تولیدش ادامه پیدا کرده‌است و به عنوان یک اسباب بازی کلاسیک آمریکایی شناخته می‌شود.
ژیروسکوپ‌های MEMS ایده پاندول‌های Foucault را گرفته و از یک عنصر ارتعاش دهنده به نامMicro Electro Mechanical System استفاده می‌کنند. ژیروسکوپ‌های بر پایهٔ MEMS اولین بار توسط System Donner Inertial SDI به‌طور عملی و قابل تولید ساخته شد. امروزه SDI یک تولیدکنندهٔ بزرگ ژیروسکوپ‌های MEMS است.
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. اصول مشابهی بعداً در ساخت سیستم‌های inertial guidance برای موشک‌های بالستیک مورد استفاده قرار گرفت.

ژیروستات

ژیروستات نوعی دیگر از چرخش‌نما است. اولین ژیروستات توسط لرد کلوین (Lord Kelvin) ساخته شد تا حالت پیچیدهٔ حرکت یک حجم چرخان زمانی که تحت یک صفحهٔ افقی آزاد گذاشته شود مثل یک top spun در پیاده‌رو یا یک دوچرخه یا حلقه بر روی خیابان نشان می‌دهد. این وسیله شامل یک چرخ سنگین است که در داخل یک پوشش جامد قرار گرفته‌است. رفتار این وسیله بر روی یک میز یا اشکال مختلف تعلیق یا تکیه‌گاه برای نمایش وضعیت‌های خاص بر خلاف قوانین استاتیکی که به دلیل رفتار ژیرواستاتیکی چرخ و نامرئی داخلش وقتی که سریع بچرخد به کار می‌رود.

حق ثبت آمریکا

در طبقه‌بندی USPTO محل عمومی برای ژیروسکوپ کلاس ۷۴،Machine element or mechanism، و طبقهٔ فرعی ۵R می‌باشد. هر حجم چرخانی خواص و رفتار ژیروسکوپ دارد ولی این وسیله‌ها شامل اینکه حداقل یک محور نوسان حاضر باشد. ترکیب ژیروسکوپ با وسایل دیگر در طبقه‌بندی فرعی ۵٫۲۲ قرار دارند.