ไจโรสโคป

ไจโรสโคป เป็นอุปกรณ์ที่อาศัยแรงเฉื่อยของล้อหมุน เพื่อช่วยรักษาระดับทิศทางของแกนหมุน ประกอบด้วยล้อหมุนเร็วบรรจุอยู่ในกรอบอีกทีหนึ่ง ทำให้เอียงในทิศทางต่างๆ ได้โดยอิสระ นั่นคือ หมุนในแกนใดๆ ก็ได้ โมเมนตัมเชิงมุมของล้อดังกล่าวทำให้มันคงรักษาตำแหน่งของมันไว้แม้กรอบล้อจะเอียง จากคุณสมบัติดังกล่าวทำให้สามารถนำหลักการนี้ไปประยุกต์ใช้เพื่อประโยชน์ต่างๆ มากมาย เช่น เข็มทิศ และนักบินอัตโนมัติของเครื่องบิน เรือ กลไกบังคับหางเสือของตอร์ปิโด อุปกรณ์ป้องกันการกลิ้งบนเรือใหญ่ และระบบนำร่องเฉื่อย (inertial guidance) รวมถึงระบบในยานอวกาศ และสถานีอวกาศ

เมื่อ ค.ศ. 1852 นักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศส ชื่อเลอง ฟูโก (Léon Foucault) ได้ประดิษฐ์และตั้งชื่อ ไจโรสโคป (gyroscope) ขึ้นเพื่อใช้เรียกล้อ ที่ติดตั้งในวงแหวนหมุนได้ นั่นคือชุดวงแหวนที่ยอมให้ล้อหมุนโดยอิสระในทิศทางใดๆ ก็ได้ และในช่วงคริสต์ทศวรรษ 1850 ฟูโกลต์ได้ทำการทดลองอย่างหนึ่ง โดยใช้โรเตอร์ และแสดงว่าล้อที่หมุนอยู่นั้นยังคงทิศทางเดิมของมันในอากาศ โดยไม่ขึ้นกับการหมุนของโลก

ความสามารถในการรักษาทิศทางของไจโรสโคปนี้ บ่งชี้ถึงประโยชน์ของมันในฐานะเป็นเครื่องบอกทิศทางได้ แต่การใช้ไจโรสโคปเป็นเข็มทิศนั้น เพิ่งจะปรากฏเป็นผลงานที่ใช้การได้ก็เมื่อปี ค.ศ. 1910 โดยการติดตั้งไว้บนเรือรบของเยอรมนี และในปี ค.ศ. 1911 เอลเมอร์ เอ. สเปอร์รี (Elmer A. Sperry) ก็ได้ทำการตลาดขายเข็มทิศไจโรสโคป หรือ ไจโรคอมแพสส์ (Gyrocompass) ในสหรัฐอเมริกา และผลิตสำหรับการขายในอังกฤษหลังจากนั้นไม่นานนัก

เมื่อปี ค.ศ. 1909 สเปอร์รีได้สร้างนักบินอัตโนมัติขึ้นเป็นเครื่องแรก โดยใช้คุณสมบัติการรักษาทิศทางของไจโรสโคป เพื่อให้เครื่องบินบินได้ตรงเส้นทาง นักบินหรือเครื่องขับอัตโนมัติเครื่องแรกสำหรับเรือนั้น มีการสร้างขึ้นเป็นครั้งแรก โดยบริษัท อันชูทซ (Anschütz) เมืองคีล ประเทศเยอรมนี และติดตั้งบนเรือโดยสารของเดนมาร์กลำหนึ่งเมื่อปี ค.ศ. 1916 สำหรับไจโรสโคป แบบ 3 กรอบ ซึ่งใช้ในปี ค.ศ. 1916 นั้น มีการใช้ในการออกแบบเส้นขอบฟ้าประดิษฐ์ครั้งแรกสำหรับอากาศยาน เครื่องมือนี้บ่งบอกระดับการโคลง (ไปด้านข้าง) และระดับ (ไปหน้าหลัง) ต่อตัวนักบินหรือคนขับ และมีประโยชน์อย่างยิ่งโดยเฉพาะเมื่อไม่สามารถมองเห็นเส้นขอบฟ้าได้เนื่องจากสภาพอากาศไม่ดี

ในปี ค.ศ. 1915 บริษัท สเปอร์รี ได้ใช้ไจโรสโคปแบบสองกรอบ เพื่อสร้างอุปกรณ์รักษาเสถียรภาพด้วยไจโรสโคป ที่เรียกว่า ไจโรสแตบิไลเซอร์ (Gyrostabilizer) เพื่อลดการโคลงของเรือ ซึ่งเท่ากับลดความเสียหายของสินค้าลงเหลือน้อยที่สุด และลดความเค้นในโครงสร้างกระดูกงู ทั้งยังเพิ่มความรู้สึกสบายของผู้โดยสารในการนั่งเรืออีกด้วย การลดอาการโคลงด้วย ไจโรสแตบิไลเซอร์ นี้ มีประสิทธิผลมาก และไม่ขึ้นอยู่กับความเร็วของเรือเลย แต่ข้อเสียนั้นยังมีมากมายด้วยกัน เช่น ทำให้มีน้ำหนักมากเกินไป และต้องใช้เนื้อที่มากเกินไป (ต้องสร้างไจโรสโคปที่มีขนาดใหญ่มาก) ทำให้ไม่มีการติดตั้งบนเรือในสมัยหลังได้ เนื่องจากผู้สร้างเรือของญี่ปุ่นได้ใช้เครื่องรักษาเสถียรภาพของเรือแบบละเอียดและไว้ใต้น้ำ เมื่อปี 1925

มีการใช้ไจโรสโคปแบบ 3 กรอบอย่างเดิมในจรวดนำวิถี เพื่อการบังคับทิศทางโดยอัตโนมัติ โดยใช้ร่วมกับไจโรสโคปแบบสองกรอบ เพื่อแก้ไขการเคลื่อนไหวด้านข้าง และหน้าหลังให้ถูกต้อง วิศวกรเยอรมันได้ใช้ประโยชน์อย่างมากจากคุณสมบัติดังกล่าวในช่วงทศวรรษ 1930 และความรู้เหล่านี้ต่อมาถูกนำใช้ในการออกแบบระบบนำวิถี สำหรับวี-1 (V-1) หรืออากาศยานไร้นักบิน ซึ่งเป็นระเบิดติดปีกนั่นเอง และยังใช้กับจรวดวี-2 (V-2) อันเป็นจรวดนำวิถีสมัยต้นๆ

นอกจากนี้แล้ว ความสามารถของไจโรสโคปในการกำหนดทิศทางได้อย่างละเอียด โดยมีความแม่นยำสูงยิ่ง ทำให้มีการนำไปใช้กับกลไกการควบคุมที่สลับซับซ้อน และเกิดการพัฒนาเครื่องเล็งปืนแบบเสถียร เครื่องปล่อยระเบิด และฐานยึดปืน รวมทั้งสายอากาศเรดาร์บนเรือ ในสมัยสงครามโลกครั้งที่ 2

ระบบการนำร่องด้วยความเฉื่อยของยานพาหนะสมัยใหม่ เช่น จรวด นั้น อาศัยแพลตฟอร์มขนาดเล็ก และรักษาเสถียรภาพได้ด้วยไจโรสโคป ให้ตรงกับระดับที่ต้องการได้อย่างแม่นยำเป็นพิเศษ แต่เวลาล่วงเลยจวบจนทศวรรษ 1950 แพลตฟอร์มชนิดนี้จึงสำเร็จสมบูรณ์ หลังจากมีการออกแบบแบริงที่ลอยในอากาศและไจโรสโคปแบบลอยน้ำ

ไจโรสโคปแสดงพฤติกรรมอันประกอบด้วย การหมุนควง และ การแกว่ง (nutation) ไจโรสโคปสามารถนำไปใช้เพื่อสร้างเข็มทิศไจโรสโคป หรือ ไจโรคอมแพสส์ (gyrocompasses), ซึ่งจะมาช่วยเสริมหรือแทนที่เข็มทิศแบบแม่เหล็ก (ที่ใช้กันอยู่ในเรือ, เครื่องบิน และ ยานอวกาศ, ยานพาหนะทั่วไป) เพื่อช่วยในการรักษาความมีเสถียรภาพในการทรงตัว (กล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล, จักรยาน, รถจักรยานยนต์ และ เรือ) หรือนำมาใช้เป็นส่วนหนึ่งของระบบการนำวิถีด้วยความเฉื่อย

ดาวเทียมชี้ไปในทิศทางเดียว

ดาวเทียมบางดวงใช้หลักของไจโร  เพื่อปรับตำแหน่งของดาวเทียมในอวกาศ  ดังรูป   ภายในดาวเทียมจะประกอบด้วยล้อ  3  อัน ตั้งฉากซึ่งกันและกัน  แต่ละอันมีมอเตอร์และเบรกไว้สำหรับควบคุมการหมุน  เมื่อล้อเริ่มหมุน  ดาวเทียมจะเริ่มหมุนเช่นกันแต่ไปในทิศตรงกันข้ามกับล้อ  หลังจากที่อยู่ในตำแหน่งที่ต้องการ  ก็บังคับให้ล้อหยุดหมุน  ดาวเทียมก็จะหยุดหมุนตามไปด้วย  เมื่อใช้วิธีนี้เราสามารถที่จะบังคับทิศทางของดาวเทียมได้โดยไม่ต้องใช้เชื้อเพลิงหรือพลังงานมากมายนัก  รูปบน ขณะที่ดาวเทียมโคจรอยู่รอบโลก  ตำแหน่งของแผงโซลาร์ อาจจะไม่ตรงกับแสงอาทิตย์ ดังนั้นจึงต้องมีการปรับแต่งตำแหน่งของดาวเทียมเสมอ เพื่อให้พลังงานแสงที่ตกลงบนแผงโซลาร์มากที่สุด