Żyroskop

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacja, szukaj
Animacja działania żyroskopu
Skuteczność żyroskopu spada wraz z zmniejszeniem się prędkości obrotowej
Żyrokompas (ze zdjętą obudową zewnętrzną)

Żyroskop (giroskop; gr. gyros - obrót, skopeo - obserwować) – urządzenie do pomiaru lub utrzymywania położenia kątowego, działające w oparciu o zasadę zachowania momentu pędu. Został wynaleziony przez francuskiego fizyka Jeana Foucaulta w 1852 roku.

Przyrząd demonstrujący efekty żyroskopowe też jest nazywany żyroskopem, ma on postać krążka, który raz wprawiony w szybki ruch obrotowy zachowuje swoje pierwotne położenie osi obrotu, z niewielkimi ruchami precesyjnymi, które są uwzględniane w określaniu kierunku lub są eliminowane przez tłumienie.

Warunkiem poprawnej pracy żyroskopu jest duża prędkość obrotowa i małe tarcie w łożyskach. Ten drugi cel osiąga się łożyskując żyroskop na strumieniu sprężonego powietrza lub – jeszcze lepiej – zawieszając go w polu elektrostatycznym (lub magnetycznym) w próżni. W przykładowym rozwiązaniu technicznym żyroskop o prędkości 24 tys. obr./min wskazuje stały kierunek w przestrzeni z błędem nie większym niż 0,0001°/h, czyli 1° na 14 miesięcy.

Obracające się ciało o ograniczonej swobodzie ruchu osi obrotu to bąk, żyroskop jest też nazywany bąkiem swobodnym.

Żyroskop kierunkowy[edytuj | edytuj kod]

Żyroskop kierunkowy pozwala na obserwację obrotu ciała, do którego jest przymocowany. Żyroskop jest najczęściej wykonany jako szybko wirujący sztywny obiekt (najczęściej dysk) zawieszony w odpowiedniej konstrukcji umożliwiającej jego swobodne obracanie się względem układu odniesienia (np. ciała do którego jest przymocowany). Uzyskuje się to przez zastosowanie przegubów z osią obrotu prostopadłą do osi obrotu samego dysku żyroskopu. Pozwala to na minimalizację przenoszenia obrotów ciała na żyroskop, który dąży do utrzymywania swego pierwotnego położenia (lub częściej kierunku) w przestrzeni inercjalnej.

Żyroskop prędkościowy[edytuj | edytuj kod]

Inna grupa żyroskopów to tak zwane żyroskopy prędkościowe. Nie utrzymują one stałego kierunku lecz wskazują prędkość kątową obiektu, na którym się znajdują. Do tej grupy zaliczamy żyroskopy mechaniczne które mają ograniczoną swobodę obrotu (zwykle w jednej z osi kartezjańskiego układu współrzędnych), żyroskopy optyczne (laserowe i światłowodowe) i wreszcie żyroskopy wykorzystujące efekt Coriolisa, oddziałujący na drgający element.

Znaczenie i zastosowanie praktyczne[edytuj | edytuj kod]

Żyroskopy są używane do budowy żyrokompasów, które mają szerokie zastosowanie w nawigacji, w urządzeniach do wskazywania wybranego kierunku używanych w samolotach, śmigłowcach, statkach itp. Urządzenie zbudowane na tej zasadzie jest nazywane żyroskopem, żyrokompasem lub kompasem żyroskopowym. Żyroskop montuje się także w żyroteodolicie do wyznaczania azymutu geograficznego.

Zachowanie żyroskopu wynika bezpośrednio z zasady zachowania momentu pędu, toteż wiele obracających się ciał wykazuje własności żyroskopowe. Zaliczyć do nich można np. ciała niebieskie w tym Ziemia, pociski karabinowe wystrzelone z broni gwintowanej, wirniki maszyn, itp.

Wzory matematyczne[edytuj | edytuj kod]

Podstawowe równanie opisujące zachowanie żyroskopu:

\mathbf{\tau}={{d \mathbf{L}}\over {dt}}={{d(I\mathbf{\omega})} \over {dt}}=I\mathbf{\alpha}

Zjawisko zmiany położenia osi wirowania żyroskopu pod wpływem działania siły zewnętrznej nazywane jest precesją. Częstość precesji określa wzór:

\boldsymbol\tau=\boldsymbol\Omega_P \times \mathbf{L}

gdzie:

  • \mathbf{\tau} – moment siły,
  • \mathbf{L} – moment pędu żyroskopu,
  • I – moment bezwładności,
  • \omega – prędkość kątowa,
  • \alpha – przyspieszenie kątowe,
  • t – czas,
  • \boldsymbol\Omega_P – częstość precesji.

Zobacz też[edytuj | edytuj kod]

Wikimedia Commons
Zobacz hasło żyroskop w Wikisłowniku
  • Żyroskop optyczny – żyroskop wykorzystujący do rozpoznania zmiany położenia zjawisko zmiany częstotliwości fali świetlnej
  • Żyroskop laserowy – rodzaj żyroskopu optycznego
  • Sztuczny horyzont – lotniczy przyrząd żyroskopowy służący do określenia orientacji przestrzennej statku powietrznego względem płaszczyzny horyzontu lokalnego (kąt pochylenia i przechylenia)
  • Żyroskop kursowy lotniczy – przyrząd pokładowy do wyznaczania kursu statku powietrznego
  • Powerball – oparty na żyroskopie przyrząd do treningu i rehabilitacji palców, stawów, mięśni dolnej i górnej partii rąk.
  • Koło zamachowe – koło o dużym momencie bezwładności wykorzystywane do krótkotrwałego magazynowania energii mechanicznej