Τι είναι το γυροσκόπιο;
Το γυροσκόπιο είναι ένα όργανο που χρησιμεύει για τη διατήρηση του προσανατολισμού και της γωνιακής ταχύτητας ενός αντικειμένου. Για να το επιτύχει αυτό, χρησιμοποιεί την αρχή της διατήρησης του προσανατολισμού της στροφορμής. Εξοπλισμένο με έναν δίσκο ελεύθερης περιστροφής, το γυροσκόπιο είναι ικανό να παίρνει όλες τις πιθανές θέσεις, διατηρώντας παράλληλα τον άξονα περιστροφής του αμετάβλητο.
Πράγματι, όταν ο δίσκος περιστροφής ενός γυροσκοπίου περιστρέφεται, ο άξονας περιστροφής του οργάνου παραμένει σταθερός, ακόμη και πάνω σε μια κεκλιμένη επιφάνεια. Καθώς ο δίσκος επιταχύνεται, η ροπή κίνησης αυξάνεται επίσης, σταθεροποιώντας έτσι το γυροσκόπιο και το αντικείμενο στο οποίο είναι ενσωματωμένο.
Η κίνηση της προόδου
Κατά τη διάρκεια της περιστροφής, εάν ασκηθεί κάποια δύναμη στον άξονα, το γυροσκόπιο χάνει την ισορροπία του. Ο άξονας μετακινείται πιο αργά, ακολουθώντας μια κωνική κίνηση που ονομάζεται κίνηση προόδου. Το γυροσκόπιο συνεχίζει να περιστρέφεται, αλλά δεν πέφτει.
Το γυροσκόπιο και η κινητική ενέργεια
Στη φυσική και την κλασική μηχανική, το γυροσκόπιο και η κινητική ενέργεια είναι αδιαχώριστα μεταξύ τους. Ενώ το πρώτο αναφέρεται σε έναν μηχανισμό παρατήρησης της περιστροφής και της γωνιακής θέσης, το δεύτερο είναι μια διανυσματική ποσότητα που χρησιμοποιείται για τη διατήρηση αυτής της ίδιας περιστροφής. Ανακαλύψτε εδώ όλα όσα πρέπει να γνωρίζετε για το γυροσκόπιο και τη ροπή κίνησης.
Η κινητική ροπή
Γνωστή και ως γωνιακή ροπή, η κινητική ροπή είναι μια διανυσματική ποσότητα που έχει την ίδια κατεύθυνση και το ίδιο πρόσημο με τη γωνιακή ταχύτητα. Για να είναι αυτό δυνατό, ο άξονας περιστροφής του αντικειμένου πρέπει να είναι ταυτόχρονα και ο άξονας συμμετρίας του.
Από ένα υλικό σημείο M έως ένα σημείο O, η κινητική ροπή ισούται με τη ροπή της ποσότητας κίνησης σε σχέση με το σημείο O, σύμφωνα με τη Βικιπαίδεια. Όταν η κινητική ροπή δεν μεταβάλλεται, ο άξονας περιστροφής παραμένει σταθερός. Αυτή είναι η διατήρηση της κινητικής ροπής ή το γυροσκοπικό φαινόμενο.
Το γυροσκοπικό φαινόμενο
Για να κατανοήσετε συγκεκριμένα αυτόν τον μηχανισμό, πάρτε έναν τροχό ποδηλάτου. Κρατήστε τον με τεντωμένο το χέρι από τα παξιμάδια του πλήμνου. Ζητήστε από κάποιον να γυρίσει γρήγορα τον τροχό. Αν προσπαθήσετε να γείρετε προς τον περιστρεφόμενο τροχό, θα αισθανθείτε μια αντίσταση. Είναι η διατήρηση της ροπής περιστροφής που αντιτίθεται σε αυτή την κίνηση. Είναι τογυροσκοπικό φαινόμενο που επιτρέπει τη διατήρηση της ισορροπίας αυτού του τροχού. Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι το γυροσκοπικό φαινόμενο αυξάνεται με την ταχύτητα περιστροφής.
Ιστορία του γυροσκοπίου
Το πρώτο γυροσκόπιο τριών αξόνων εφευρέθηκε από τον Léon Foucault το 1852. Ο τελευταίος είναι γνωστός για τη δημιουργία του εκκρεμούς του Foucault. Κατά τη διάρκεια ενός πειράματος που αφορούσε την περιστροφή της Γης, ο Foucault διαπίστωσε ότι ο εκκρεμός του περιστρεφόταν αργά σε σχέση με την περιστροφή της Γης. Αυτό το πείραμα τον οδήγησε να σχεδιάσει ένα όργανο ικανό να διατηρεί μια γρήγορη περιστροφή για αρκετά μεγάλο χρονικό διάστημα. Μαζί με τον συνεργάτη του Φορμέν, δημιούργησε το γυροσκόπιο. Διαπίστωσε επίσης ότι αυτό το νέο όργανο ήταν ικανό να υποδεικνύει τον Βορρά και να ευθυγραμμίζεται με τον μεσημβρινό. Το ονόμασε γυροσκοπική πυξίδα.
Από τα τέλη του 19ου αιώνα, εμφανίστηκαν τα πρώτα μηχανοκίνητα γυροσκόπια. Οι γυροπυξίδες χρησιμοποιούνται πλέον για να υποδεικνύουν τον γεωγραφικό Βορρά και όχι τον μαγνητικό Βορρά. Αντικατέστησαν επίσης τις πυξίδες των πλοίων. Από τον 20ό αιώνα, οι γυροπυξίδες χρησιμοποιούνταν στον στρατιωτικό εξοπλισμό.
Σήμερα, τα γυροσκόπια χρησιμοποιούνται επίσης για τη διατήρηση της σταθερότητας των ηλεκτρονικών συσκευών. Βρίσκονται πλέον σε ρολόγια, αλλά και σε smartphone, όπου έχουν τη μορφή μικροσυστημάτων ηλεκτρομηχανικών αδρανειακών συστημάτων.
Τα εξαρτήματα ενός γυροσκοπίου
Ένα μηχανικό γυροσκόπιο αποτελείται κυρίως από τα ακόλουθα στοιχεία:
- Έναν περιστρεφόμενο δίσκο στο κέντρο. Στο κέντρο αυτού του δίσκου βρίσκεται το κέντρο βάρους του γυροσκοπίου, χωρίς το οποίο το όργανο δεν μπορεί να λειτουργήσει.
- Ένας άξονας περιστροφής που διέρχεται από το κέντρο του δίσκου και δείχνει προς οποιαδήποτε κατεύθυνση.
- Τρία καρδάνια (περιστρεφόμενο στήριγμα που επιτρέπει σε ένα αντικείμενο να περιστρέφεται γύρω από έναν μοναδικό άξονα) που επιτρέπουν τη δημιουργία ενός γυροσκοπίου τριών αξόνων:
- Ένα πρώτο στερεωμένο στον άξονα με ρουλεμάν.
- Ένα δεύτερο στερεωμένο στον εσωτερικό άξονα
- Ένα τρίτο στερεωμένο στο εξωτερικό πλαίσιο
Χρήσεις του γυροσκοπίου
Το γυροσκόπιο χρησιμοποιείται σήμερα σε πολλούς τομείς εκτός της φυσικής, καθώς και σε πολλούς κλάδους (βιομηχανία, αεροπορία, πετρελαϊκή βιομηχανία κ.λπ.). Χρησιμοποιείται σε:
- Την καθοδήγηση τορπιλών και πυραύλων
- Τον συντονισμό ή την ένδειξη στροφής σε ένα αεροπλάνο
- Την κατασκευή ορισμένων αντικειμένων για την καταπολέμηση του στρες, όπως σβούρες, γιο-γιο, βόρτεκον ή σπίνερ
- Τη σταθεροποίηση της κάμερας κατά τη λήψη ενός κινούμενου αντικειμένου
- Η κατασκευή μοτοσικλετών, ποδηλάτων ή δίκυκλων οχημάτων που ισορροπούν
- Η κατασκευή τηλεκατευθυνόμενων ελικοπτέρων, και πολλά άλλα
Επιπλέον, αυτό το όργανο χρησιμοποιείται επίσης σε διαστημικούς σταθμούς, στο διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble και σε διάφορους άλλους τομείς που προορίζονται για ειδικούς στη φυσική.