გიროსკოპი

გიროსკოპი ( და ) — სწრაფად მბრუნავი მყარი სხეული, რომლის ბრუნვის ღერძს სივრცეში მიმართულების შეცვლა შეუძლია. გიროსკოპს აქვს მრავალი საინტერესო თვისება, რომლებიც შეიმჩნევა მბრუნავ ციურ სხეულებში, საარტილერიო ჭურვებში, საბავშვო ბზრიალაში. გიროსკოპის თვისებებს ემყარება იმ ხელსაწყოებისა და მოწყობილობების მუშაობის პრინციპი, რომლებსაც ფართოდ იყენებენ თვითმფრინავების, რაკეტების, გემების, ტორპედოების და სხვათა მოძრაობის ავტომატური მართვისას ჰორიზონტის განსაზღვრისას, მოძრავი ობიექტების (მაგალითად, რაკეტები) კუთხური სიჩქარეების გაზომვისას და სხვათა. 

მოქმედების პრინციპი
გიროსკოპის თვისებები ვლინდება შემდეგი ორი პირობის დაცვის შემთხვევაში: 1. გიროსკოპის ბრუნვის ღერძს უნდა ჰქონდეს სივრცეში მიმართულების შეცვლის საშუალება; 2. თავისი ღერძის ირგვლივ გიროსკოპის ბრუნვის კუთხური სიჩქარე ბევრად უნდა აღემატებოდეს იმ კუთხურ სიჩქარეს, რომელიც ექნება თვით ღერძს მიმართულების შეცვლისას. უმარტივესი გიროსკოპი OA ღერძის ირგვლივ მბრუნავი საბავშვო ბზრიალაა. OA ღერძს შეუძლია სივრცეში მდგომარეობა შეიცვალოს, რადგან ღერძის A ბოლო თავისუფალია. ტექნიკაში გამოყენებული გიროსკოპის ღერძის თავისუფლებას უზრუნველყოფს მისი კარდანული საკიდლის ჩარჩოებში დამაგრება, რაც AB ღერძს სივრცეში ნებისმიერი მდგომარეობის დაკავების საშუალებას აძლევს. ასეთ გიროსკოპს თავისუფლების 3 ხარისხი აქვს. ე. ი. შეუძლია AB, DE და GK ღერძების მიმართ სამი დამოუკიდებელი მოძრაობის შესრულება. ამასთან, ღერძები იკვეთება საკიდლის O ცენტრში, რომელიც ფუძის მიმართ უძრავია. თუ გიროსკოპის სიმძიმის ცენტრი O ცენტრს ემთხვევა, გიროსკოპს ასტატიკურს (გაწონასწორებულს) უწოდებენ; წინააღმდეგ შემთხვევაში კი — მძიმეს. გაწონასწორებული გიროსკოპის პირველი თვისება ის არის, რომ ღერძი მიისწრაფვის შეინარჩუნოს საწყისი მდგომარეობა სამყაროს სივრცეში. თუ ღერძი თავიდანვე რომელიმე ვარსკვლავისკენაა მიმართული, ხელსაწყოს კორპუსის ნებისმიერი გადაადგილებისას იგი შეინარჩუნებს ვარსკვლავისაკენ მიმართულ საწყის მდგომარეობას. გიროსკოპის ეს თვისება პირველად 1852 წელს ფრანგმა მეცნიერმა ლ. ფუკომ გამოიყენა იმის დასამტკიცებლად, რომ დედამიწა თავისი ღერძის გარშემო ბრუნავს. გიროსკოპის მეორე თვისება მჟღავნდება მაშინ, როდესაც მის ღერძზე (ჩარჩოზე) მოქმედი რაიმე ძალა ცდილობს აამოძრაოს ღერძი (ე. ი. შექმნას მომენტი დაკიდების ცენტრის მიმართ). P ძალის ზემოქმედებით AB ღერძის A ბოლო გიროსკოპს შემოაბრუნებს არა P ძალის მოქმედების მიმართულებით, არამედ ძალის პერპენდიკულარულად, ე. ი. ჩარჩო (1) დაიწყებს DE ღერძის მიმართ მუდმივი კუთხური სიჩქარით შემობრუნებას. ასეთ ბრუნას პრეცესია ეწოდება და მისი სიჩქარე მით უფრო ნაკლებია, რაც უფრო სწრაფად ბრუნავს გიროსკოპი AB ღერძის ირგვლივ. P ძალის მოქმედების შეწყვეტასთან ერთად მთავრდება პრეცესია და AB ღერძი მყისვე ჩერდება, ე. ი. პრეცესიული მოძრაობა უინერციოა. P ძალის მოქმედებისას გიროსკოპის ღერძის საშუალო მიმართულების ახლოს წარმოიქმნება უმნიშვნელო, მაგრამ სწრაფი (თვალისათვის შეუმჩნეველი) რხევები. ამ პროცესს ნუტაციას უწოდებენ. სწრაფად მბრუნავ გიროსკოპში ეს რხევები ჰაერთან ხახუნის გამო სწრაფად ქრება, ამიტომ ტექნიკურ ამოცანათა გადაწყვეტისას უმრავლეს შემთხვევაში ნუტაციას უგულებელჰყოფენ და გიროსკოპის ელემენტარული თეორიის შექმნისას ითვალისწინებენ მხოლოდ პრეცესიას. პრეცესია შეიმჩნევა საბავშვო ბზრიალას ბრუხვისას. ასეთი ბზრიალას საკიდლის ცენტრის დანიშნულებას მისი საყრდენი წერტილი O ასრულებს. თუ ბზრიალას ღერძს შვეულასადმი AOE კუთხით დავაყენებთ და გავათავისუფლებთ, P წონის ძალის ზემოქმედებით ღერძი გადაიხრება არა ამ ძალის მიმართულებით, ე. ი. ქვევით, არამედ პერპენდიკულარულად და OE ღერძის ირგვლივ დაიწყებს პრეცესიულ მოძრაობას. ბზრიალას პრეცესიას თან სდევს ნუტაციური რხევები, რომლებიც ჰაერის წინაღობის გამო სწრაფად ქრება. ნელა მბრუნავი ბზრიალას ნუტაციური რხევები საკმაოდ შესამჩნევია და პრეცესიასთან ერთად საგრძნობლად ცვლის ბზრიალას ღერძის მოძრაობას; ბზრიალას A ბოლო შემოხაზავს ტალღისებრ ან მარყუჟისებრ მრუდს. 

გიროსკოპები არტილერიაში
პრეცესიული მოძრაობის მეორე მაგალითია საარტილერიო ჭურვი (ან ტყვია). მოძრაობისას სიმძიმის ძალასთან ერთად ჭურეზე მოქმედებს ჰაერის წინაღობის ძალა, ხოლო მათი ტოლქმედი R მოდებულია სიმძიმის ცენტრზე მალლა და მიმართულია მოძრაობის საწინააღმდეგოდ. არამბრუნავი ჭურვი ჰაერის წინაღობის გამო იწყებს „კოტრიალს“, უწესრიგო ფრენას, იზრდება ჰაერის წინაღობა, მცირდება გაფრენის სიშორე და ჭურვი მიზანს წინა ნაწილით არ ხვდება. მბრუნავ ჭურვს კი გიროსკოპის ყველა თვისება აქვს, ამიტომ ჰაერის წინაღობის ძალის ზემოქმედებით მისი ღერძი პერპენდიკულარულად გადაიხრება და დაიწყებს პრეცესიას იმ წრფის ირგვლივ, რომელზედაც  სიჩქარეა მიმართული; ამის შედეგად ჭურვი იმოძრავებს დასახული ტრაექტორიით და მიზანს მოხვდება წინა ნაწილით. თუ გიროსკოპის როტორის AB ღერძი იმ ჩარჩოშია ჩამაგრებული, რომელიც DE ღერძის ირგვლივ ბრუნავს, გიროსკოპი იბრუნებს მხოლოდ AB და DE ღერძების ირგვლივ, ე. ი. ექნება თავისუფლების ორი ხარისხი. ასეთ გიროსკოპს არ გააჩნია სამხარისხიანი გიროსკოპის არც ერთი თვისება, მაგრამ აქვს სხვა მეტად საინტერესო თვისება; თუ გიროსკოპის საფუძველს KL ღერძის ირგვლივ იძულებით ვაბრუნებთ  კუთხური სიჩქარით, როტორის ღერძზე A და B საყრდენების მხრიდან იმოქმედებს ძალთა წყვილი  გიროსკოპული მომენტით (I გიროსკოპის ინერციის მომენტია AB ღერძის მიმართ,  გიროსკოპის საკუთარი ბრუნვის კუთხური სიჩქარე, ხოლო  კუთხე AB და KL ღერძებს შორის); ძალთა ეს წყვილი ცდილობს უმოკლესი გზით დააყენოს გიროსკოპის როტორის ღერძი KL ღერძის პარალელურად. თუ როტორის AB ღერძი საძირკველში უშუალოდაა ჩამაგრებული და ეს უკანასკნელი უძრავია, ე. ი. ღერძს არ შეუძლია შეიცვალოს მიმართულება, როტორს არა აქვს გიროსკოპის არც ერთი თვისება. როცა D საძირკველი KL ღერძის ირგვლივ  კუთხური სიჩქარით ბრუნავს, როტორის ღერძი ცდილობს დაიკავოს KL ღერძის პარალელური მდგომარეობა, მაგრამ ამას ეწინააღმდეგება ღერძის საკისრები (A და B). ამის შედეგად როტორი აწვება საკისრებს F1 და F2 ძალებით, რომლებსც გიროსკოპული ძალები ეწოდება.

გიროსკოპები ტექნიკაში
ტექნიკაში გამოყენებულ გიროსკოპებს კარდანულად დაკიდებული მქნევარა ბორბლების სახე აქვს. გიროსკოპმა რომ სწრაფად იბრუნოს, მას ამზადებენ როგორც ელექტროძრავას როტორს. ავიაციაში ხშირად იყენებენ გიროსკოპს, რომლის როტორი საჰაერო ტურბინია. ზოგჯერ გიროსკოპი სფეროს ფორმისაა და აქვს საჰაერო აფსკიანი საკიდელი. ზოგ კონსტრუქციებში გამოყენებულია მოტივტივე გიროსკოპები, რომელთა საკისრების განტვირთვის მიზნით როტორის გარსაცმი სითხეში ცურავს. გიროსკოპებს, რომლებსაც თავისუფლების სამი ხარისხი აქვთ და სივრცეში როტორის ღერძის მდგომარეობას ინარჩუნებენ, უმთავრესად მოძრაობის მართვის ავტომატურ ხელსაწყოებში იყენებენ მაგალითად, თვითმფრინავებზე, რაკეტებზე, გემებზე, ტორპედოებსა და სხვა მოძრავ ობიექტებზე. ამ ხელსაწყოებში გიროსკოპს იყენებენ მგრძნობიარე ელემენტად მოძრავი ობიექტის დასახული კურსიდან გადახრის რეგისტრირებისათვის. გიროსკოპის მეორე თვისება – ძალის მიყენებისას პრეცესიის წარმოქმნა – საფუძვლად უდევს მიმართულების გიროსკოპს (კურსის გიროსკოპი) და სხვა მნიშვნელოვან სანავიგაციო ხელსაწყოებს – გეოგრაფიული მერიდიანის მიმართულების განმსაზღვრელ გიროკომპასსა და გიროვერტიკალს – ჭეშმარიტი ვერტიკალის (ჰორიზონტის) განმსაზღვრელ ხელსაწყოს. თავისუფლების ორი ხარისხის მქონე გიროსკოპის თვისებებს ხშირად იყენებენ ზოგიერთ საავიაციო ხელსაწყოში, მაგალითად, მობრუნების მაჩვენებელში და სხვადასხვაგვარ გიროსკოპულ ხელსაწყოებში. თანამედროვე გიროსკოპები ზედმიწევნით ზუსტია. გიროსკოპის სიმძიმის ცენტრისა და საკიდლის ცენტრის ოდნავი დაუმთხვევლობა იწვევს გიროსკოპის ღერძის არასასურველ პრეცესიას გიროსკოპული ხელსაწყოს ჩვენებაზე გავლენას ახდენს აგრეთვე კარდანულ საკიდელში არსებული ხახუნი. ჩამოთვლილმა სირთულეებმა გამოიწვია სხვა ფიზიკურ პრინციპებზე დამყარებული გიროსკოპების შექმნის აუცილებლობა.

იხილეთ აგრეთვე
კვანტური გიროსკოპი
ვიბრაციული გიროსკოპი 

ლიტერატურა