ژیروسکوپ چگونه کار میکند و چه کاربردی دارد؟
احتمالا شما هم با نقش و اهمیت سیستمهای مسیریاب و هدایتی و کاربرد آنها در صنایع مختلف آشنا هستید. یکی از دستگاههایی که در بسیاری از این سیستمها مورد استفاده قرار میگیرد، ژیروسکوپ نام دارد.
ژیروسکوپ چیست؟
در واقع Gyroscope دستگاهی شامل یک پرتوی چرخان نور یا یک چرخ سریع است که از آن برای تشخیص انحراف مسیر حرکتی اجسام مختلف استفاده میشود. این وسیله کاربردی در انواع قطبنماها، حالت Auto pilot کشتی و هواپیما، سیستمهای هدایت سفینهها، ماهوارههای در حال گردش در مدار زمین، موشکهای بالستیک، مکانیزم هدایت انواع اژدرها و … مورد استفاده قرار میگیرد.
ژیروسکوپ چه انواعی دارد؟
برای این که بتوانیم به پرسش Gyroscope چیست پاسخ بدهیم، ابتدا باید با انواع مختلف ژیروسکوپ آشنا شویم. اگر درباره این وسیله کاربردی به تحقیق و جستجو بپردازید، متوجه میشوید که gyroscope انواع متعددی دارد که هر یک دارای کاربرد و ویژگیهای منحصربهفردی هستند. اما اگر بخواهیم تمامی انواع gyroscopeها را در یک دستهبندی جامع قرار دهیم، میتوان آنها را به دو گروه اصلی تقسیم کرد.
به طور کلی، تمامی انواع ژیروسکوپها در دو دسته اصلی قرار میگیرند که عبارتند از:
- ژیروسکوپهای مکانیکی
- ژیروسکوپهای اپتیکی یا نوری
ژیروسکوپ مکانیکی چیست؟
Gyroscopeهای مکانیکی براساس یکی از اصول کشفشده توسط دانشمند و فیزیکدان بزرگ فرانسوی به نام ژان برنارد لئون فوکو نامگذاری شدند. این فیزیکدان فرانسوی نام gyroscope را به یک سیستم حاوی چرخ یا روتور اطلاق میکرد که در داخل حلقههای گیمبال نصب شده بودند. ژان برنارد فوکو در اواسط قرن نوزدهم میلادی توانست آزمایشی را طراحی کند که نشان میداد یک چرخ در حال گردش میتواند جهت اصلی خود در فضا را بدون توجه به جهت چرخش زمین حفظ کند.
همین آزمایش به سرآغازی برای کاربرد گسترده gyroscope به عنوان نشاندهنده جهت حرکت در صنایع مختلف تبدیل شد. نخستین ژیروسکوپ توسط مخترعی آلمانی به نام آنشوتز کیمفه برای استفاده در شناورها توسعه پیدا کرد و سپس در سال 1909 میلادی، مخترع آمریکایی به نام المر اسپری توانست به کمک gyroscope نخستین سیستم Auto pilot را برای هواپیماها طراحی کند. در سالهای بعدی شاهد استفاده از gyroscopeهای مکانیکی برای هدایت کشتیها، هدایت سیستمهای موشکی مانند موشک بالستیک در جنگ جهانی دوم، سیستم هدایت داخلی فضاپیمای مداری و … بودیم.
دستگاه gyroscope نوری یا اپتیک چیست؟
ژیروسکوپ نوری یا اپتیک برای اولین بار در سال 1913 میلادی و توسط یک دانشمند فرانسوی دیگر به نام جرج سایناک معرفی شد. البته این gyroscopeها پس از اختراع فیبر نوری و لیزر وارد مرحله تکامل و پیشرفت شده و در صنایع مختلف مورد استفاده قرار گرفتند. از gyroscopeهای نوری در سیستم هدایت هواپیماهای تجاری، ماهوارههای در حال گردش در مدار زمین، موشکهای بوستر و … استفاده میشود.
سایناک آزمایشی را طراحی کرد که در آن یک پرتوی نوری به دو پرتوی مجزا تقسیم میشد. بخشی از این پرتو در جهت و بخش دیگر در خلاف جهت عقربههای ساعت در اطراف یک سکوی چرخشی به حرکت درمیآمدند. مدتی بعد از این که پرتوی در حال حرکت در خلاف جهت سگوی چرخشی به نقطه مبدا بازمیگشت، پرتوی در حال حرکت در جهت حرکت سکوی چرخشی نیز به نقظه مبدا میرسید. همین امر باعث ایجاد یک الگوی تداخل متناوب شد که به طور کامل به میزان چرخش صفحه گردان وابسته بود.
دستگاه gyroscope چگونه کار میکند؟
دستگاه gyroscope در واقع نوعی روتور بسیار عظیم است که در داخل حلقههای نگهدارندهای به نام گیمبال نصب شده است. این گیمبالها دارای یاتاقانهای بدون اصطکاکی هستند که میتوانند روتور مرکزی را از گشتاورهای خارجی جدا کنند. راستای چرخش ژیروسکوپ توسط یک محور چرخان تعیین میشود. روتور این دستگاه در یک راستای معین به چرخش در میآید و دارای سه درجه آزادی است.
زمانی که دستگاه gyroscope تحت گشتاورهای خارجی یا چرخش حول محور مشخصی قرار بگیرد، میتوانیم جهت حرکت را به کمک پدیدهای به نام تقدم و انحراف مسیر مشخص کنیم. در واقع هنگامی که بر روی جسمی که در حال چرخش حول یک محور معین است، گشتاور خارجی وارد شود، در امتداد جهت عمودی چرخش نوعی تقدم ایجاد میشود.
اطلاعات مربوط به چرخش حول محور دوران به دستگاه یا موتور دیگری فرستاده میشود که وظیفه اعمال گشتاور در جهت مخالف را برعهده دارد. در نتیجه اعمال گشتاور در جهت مخالف توسط این موتور، جهت مورد نظر حفظ شده و از تغییر مسیر جلوگیری میشود. همچنین شما میتوانید با استفاده از دو ژیروسکوپ که به صورت عمود بر یکدیگر قرار گرفتهاند از ایجاد تقدم جلوگیری کنید.
کاربرد دستگاه gyroscope در صنایع مختلف
ژیروسکوپ در صنایع مختلف کاربرد گستردهای دارد. از سادهترین دوچرخهها تا پیشرفتهترین سیستمهای ناوبری که در شاتلهای فضایی مورد استفاده قرار میگیرند، برای مسیریابی از gyroscope استفاده میکنند. هواپیماهای مسافربری برای مسیریابی از دهها gyroscope مختلف استفاده میکنند. ایستگاه فضایی میر که متعلق به کشور روسیه است، برای حفظ خود در جهت خورشید از 11 ژیروسکوپ استفاده میکند. جالب است بدانید که تلسکوپ هابل نیز در سیستم خود از تعدادی gyroscope ناوبری استفاده میکند.اثر ژیروسکوپی حتی در ساخت و تولید اسباببازیهایی مانند یویو و فریزبی نیز نقش دارد. همچنین اساس کار سیستمهای ناوبری اینرسی یا همان INS نیز از gyroscopeها الهام گرفته شده است.
ژیروسکوپ ابزاری برای حفظ جهت حرکت است
چرخشنما یا همان gyroscope وسیلهای است که در سیستمهای مسیریابی و ناوبری از آن برای تعیین یا حفظ جهت حرکت استفاده میشود. دستگاه gyroscope براساس اصلی به نام بقای تکانه زاویهای کار میکند. این دستگاهها را میتوان به دو دسته کلی مکانیکی و نوری تقسیم کرد که هر یک در صنایع مختلف کاربرد گستردهای دارند. اثر ژیروسکوپی پدیدهای است که میتواند بسیاری از ابهامات ما در خصوص نحوه جهتگیری و حرکت اجسام را برطرف کند.
سوالات متداول
اثر ژیروسکوپی چیست؟
اثر ژیروسکوپی به حالتی اشاره دارد که یک جسم در حال دوران تمایل دارد که محور چرخش خود را ثابت نگه دارد.
چرا gyroscope تحت تاثیر نیروی جاذبه قرار نمیگیرد؟
این تصور که gyroscopeها تحت تاثیر نیروی جاذبه قرار نمیگیرند، اشتباه است. دلیل حفظ جهت حرکت در gyroscopeها اصلی علمی به نام بقای تکانه زاویهای است.
دستگاه gyroscope در چه سیستمهایی مورد استفاده قرار میگیرد؟
دستگاه gyroscope در قطبنمای سیستمهای ناوبری، سیستم هدایت موشکهای بالستیک و ماهوارههای در حال گردش در محور زمین، در سیستم Auto pilot و … مورد استفاده قرار میگیرند.
منابع
