up
Search      menu
علم و تکنولوژی :: مقاله ژيروسكوپ PDF
QR code - ژيروسكوپ

ژيروسكوپ

ژيروسكوپ
ژيروسکوپ وسيله‌اي براي اندازه گيري و يا حفظ جهت مي‌باشد که از اصل بقاي تکانهٔ زاويه‌اي استفاده مي‌کند.يک ژيروسکوپ مکانيکي هميشه يک چرخ يا ديسک چرخنده با محور آزاد دارد که مي‌تواند در هر جهتي بايستد. اين جهتگيري بسيار کمتر بر اثر گشتاور خارجي تغيير مي‌کند که اين به دليل ممان زاويه‌اي بزرگ خود به همراه نرخ زياد چرخش آن است. چون گشتاور خارجي توسط نگاه داشتن وسيله در يک حلقه کمينه مي‌شود جهت آن تقريبا ثابت مي‌ماند، صرفنظر از اينکه سطحي که وسيله روي آن قرار گرفته چقدر حرکت مي‌کند.
ژيروسکوپ‌هاي با تکنولوژي حالت جامد هم وجود دارند مانند ژيروسکوپ‌هاي حلقهٔ ليزري.
کاربردهاي ژيروسکوپ شامل هدايت زماني که قطب‌هاي مغناطيسي کار نمي‌کنند (مانند تسکوپ هابل) و يا به اندازه کافي دقيق نيستند (مثل ICBM) و يا براي پايدارسازي ماشين‌هاي پرنده مثل هليکوپترهاي هدايت شونده توسط راديو و يا UAVها مي‌باشد. به دليل دقت بالاتر، ژيروسکوپ‌ها همچنين در حفظ جهت در معدن کاري تونل‌ها هم به کار مي‌روند.
دياگرام يک چرخ ژيروسکوپ. عکس العمل نيرو‌ها در راستاي محور خروجي با رنگ آبي نشان داده شده‌است.
در وسايل وسيستم‌هاي مکانيکي يک ژيروسکوپ معمولي داراي ساختاري شامل يک روتور که براي چرخيدن به يک محور متصل شده‌است، ژورنال‌هاي روتور بر روي يک حلقه يا حلقه داخلي نصب شده، و حلقه داخلي براي نوسان بر روي يک حلقه خارجي که خود براي نوسان نسبت به يک تکيه گاه وصل شده‌است نصب شده‌است. حلقه يا حلقه خارجي همچنين براي لولا بودن به دور يک محور که بر روي صفحهٔ خودش که توسط تکيه گاه مشخص مي‌شود نصب مي‌گردد. حلقه خارجي يک درجه آزادي چرخش دارد و محورش هم هيچ آزادي ندارد.حلقه داخلي به طوري بر روي حلقه خارجي نصب مي‌شود که بر روي يک محور در صفحه خودش که هميشه بر محور حلقه خارجي عمود است لولا مي‌شود.
تصويري متحرك از يك ژيروسكوپ
محور چرخ دوار محور چرخش را تعريف مي‌کند. حلقه داخلي دو درجه آزادي چرخش دارد و محورش هم يک درجه آزادي دارد. روتور براي چرخش به محوري متصل است که هميشه به محور حلقه داخلي عمود است. بنابراين روتور سه درجه آزادي چرخش دارد و محورش هم دو درجه دارد. چرخ به نيروي وارد بر محور ورودي با نيروي عکس العمل به محور خروجي پاسخ مي‌دهد.
رفتار يک ژيروسکوپ مي‌تواند به سادگي با توجه به رفتار چرخ جلوي دوچرخه درک مي‌شود. اگر چرخ از محور عمود به سمت چپ متمايل شود لبه جلوي چرخ هم به سمت چپ مي‌چرخد. به عبارت ديگر چرخش بر روي يک مورد چرخ چرخان، چرخش در محور سوم را موجب مي‌شود.
يک flywheel ژيروسکوپ مي‌چرخد و يا مقاومت مي‌کند بسته به اينکه حلقه خارجي در ساختار آزاد يا بسته باشد. مثال‌هاي از وسايل با حلقه خارجي آزاد مي‌تواند ژيروسکوپ‌هاي با مرجع جهت(attitude reference gyroscope) باشند که براي اندازه گيري زاويه در راستاي سه محور مختصات(yaw, roll, pitch ) در يک فضاپيما و يا هواپيما مورد استفاده قرار مي‌گيرند.
مرکز جرم روتور مي‌تواند در يک موقعيت ثابت باشد. روتور به صورت همزمان توانايي چرخش به حول يک محور و نيز ارتعاش به حول دو محور ديگر را داراست و بنابراين به جز مقاومت ذاتي اش به دليل اسپين روتور مي‌تواند به طور آزادانه در هر جهتي به حول نقطهٔ ثابت بچرخد. برخي ژيروسکوپ‌ها جايگزين‌هاي مکانيکي براي يک يا چند عنصر به کار رفته در اين ساختار دارند. براي مثال روتور چرخان مي‌تواند در يک سيال معلق شود به جاي اينکه به صورت لولا به يک حلقه نصب شود. يک ژيروسکوپ کنترل ممان (CMG) مثالي از يک وسيله با حلقه خارجي ثابت است که بر روي هواپيما با هدف تامين و يا نگهداري يک زاويهٔ وضعيت مناسب و يا جهت را با استفاده از نيروي مقاومت ژيروسکوپ استفاده مي‌کند.
در برخي انواع خاص حلقه خارجي و يا معادلش مي‌تواند حذف شود تا روتور تنها دو درجه آزادي داشته باشد. در برخي انواع مرکز جرم مي‌تواند از محور نوسان فاصله داشته باشد و بنابراين مرکز جرم و مرکز تعليق ممکن است يکي نباشد.
تاريخچه
ژيروسکوپ ساخته شده توسط Léon Foucaultو ساخته شده توسط Dumoulin-Fromentدر سال 1852 . موزه ملي هنرها پاريس .
اولين ژيروسکوپ شناخته شده توسط يک آلماني به نام يوهان بوهننبرگر که اولين بار در سال ۱۸۱۷ درباره اش نوشت ساخته شده‌است. در ابتدا او آن را «ماشين» ناميد. ژيروسکوپ بوهننبرگر بر اساس يک کرهٔ بزرگ چرخنده ساخته شد. در سال ۱۸۳۲ والتر جانسون آمريکايي ژيروسکوپي ساخت که براساس ديسک چرخنده کار مي‌کرد. رياضيدان فرانسوي پير لاپلاس زماني که در دانشگاه اکول پلي‌تکنيک کار مي‌کرد اين ماشين را به عنوان ابزار کمک آوزشي پيشنهاد کرد و به اين شکل اين وسيله در معرض توجهLéon Foucault قرار گرفت.در سال۱۸۵۲ Foucault که در حال انجام يک آزمايش براي ديدن چرخش زمين بود، به اين وسيله نام جديد خود را داد. اگرچه اين آزمايش به دليل وجود اصطکاک ناموفق بود. در واقع اصطکاک زمان هر دور را به ۸ تا ۱۰ دقيقه محدو مي‌کرد که زمان بسيار کوتاهي براي مشاهدهٔ يک حرکت قابل توجه بود.
در سال‌هاي دهه ۱۹۶۰ موتورهاي الکتريکي اين مفهوم را امکان پذير کردند و اين به ساخته شدن اولين نمونه‌هاي قطب نماهاي ژيروسکوپي انجاميد. اولين قطب نماي ژيروسکوپي در سال ۱۹۰۸ توسط مخترع آلماني HermannAnschutz-Kaempfe معرفي شد. کمي بعد در همان سالElmer Sperry آمريکايي طراحي خود را ادامه داد و به زودي ملت‌هاي ديگر هم اهميت نظامي اين اختراع را دريافتند، (در زماني که قدرت دريايي مهمترين ابزار سنجش قدرت نظامي بود.) و صنايع ژيروسکوپ خود را ساختند. شرکت Sperry Gyroscope به زودي فعاليت خود را به ساخت پايدار کنندهاي هواپيماها و کشتي‌ها هم توسعه داد و ساير سازندگان ژيروسکوپ هم به اين کار پرداختند.در سال ۱۹۱۷ شرکت Chandler Company of Indianapolis در اينديانا «ژيروسکوپ Chandler» را به عنوان يک اسباب بازي با يک محور و يک بند توليد کرد. اين وسيله تا امروز توليدش ادامه پيدا کرده‌است و به عنوان يک اسباب بازي کلاسيک امريکايي شناخته مي‌شود.
ژيروسکوپ‌هاي MEMS ايده پاندول‌هاي Foucault را گرفته و از يک عنصر ارتعاش کننده به نامMicro Electro Mechanical System استفاده مي‌کنند. ژيروسکوپ‌هاي بر پايهٔ MEMS اولين بار توسط System Donner Inertial SDI به طور عملي و قابل توليد ساخته شد. امروزه SDI يک توليد کنندهٔ بزرگ ژيروسکوپ‌هاي MEMS است.
در اولين دهه‌هاي قرن ۲۰ام، ساير مخترعان به صورت ناموفق تلاش کردند که از ژيروسکوپ به عنوان پايه‌اي براي جعبه سياه سيستم‌هاي ترابري به وسيلهٔ ساختن يک پايهٔ پايدار که بر اساس آن اندازه گيري دقيق شتاب امکان پذير باشد (به منظور رفع نياز براي رويت ستارگان براي محاسبهٔ موقعيت) استفاده کنند. اصول مشابهي بعدا در ساخت سيستم‌هاي inertial guidance براي موشک‌هاي بالستيک مورد استفاده قرار گرفت.
ويژگي ها
يک ژيروسکوپ در حال کار که هر سه محور آن آزاد هستند.روتور جهت محور چرخش خود را صرف نظر از جهتگيري فريم خارجي حفظ مي‌کند.
يک ژيروسکوپ رفتارهايي از جمله Precession و nutation را نشان مي‌دهد. ژيروسکوپ‌ها مي‌توانند در ساخت قطب نماهاي ژيروسکوپ که کامل کننده و يا جايگزيني براي قطب نماهاي مغناطيسي در کشتي‌ها، هواپيماها، فضاپيماها و کلا وسايل حمل و نقل، براي کمک به پايداري در کشتي‌ها، تلوسکوپ فضايي هابل دوچرخه‌ها و موتورها و يا به عنوان بخشي از يک سيستم inertial guidance مورد استفاده قرار گيرد.
اثرات ژيروسکوپ‌ها در tops، بومرنگ‌ها، يويوها و powerballs مورد استفاده قرار مي‌گيرد. بسياري از وسايل چرخندهٔ ديگر مثل flywheel هم رفتار زيروسکوپي دارند اگرچه خاصيت ژيروسکوپ آنها مورد استفاده قرار نمي‌گيرند.
معادله اساسي که رفتار يک ژيروسکوپ را توصيف مي‌کند به صورت زير است:
oldsymbol au={{d mathbf{L}}over {dt}}={{d(Ioldsymbolomega)} over {dt}}=Ioldsymbolalpha
که در آن τ,Lبه ترتيب گشتاور و ممنتوم زاويه‌اي ژيروسکوپ، I ممان اينرسي، بردار ωسرعت زاويه‌اي و αشتاب زاويه‌اي آن است. از اين رابطه نتيجه مي‌شود که گشتاورτ که عمود بر محور چرخش و بنابراين عمود بر L وارو شود منجر به چرخشي در راستاي محوري عمود بر τو Lمي شود. اين حرکت precession نام دارد. سرعت زاويه‌اي ΩP هم توسط ضرب خارجي زير داده مي‌شود:
oldsymbol au=oldsymbolOmega_{mathrm{P}} imes mathbf{L}.
Precession on a gyroscope
Precession را مي‌توان با قرار دادن يک ژيروسکوپ چرخان به طوري که در يک طرف است بسته شده باشد و طرف ديگرش تقريبا آزاد باشد و محورش (بدون اصطکاک به طرف precession ) بچرخد نشان داد. در اين حالت ژيروسکوپ به نظر مي‌رسد که بر جاذبه غلبه مي‌کند و محورش افقي باقي مي‌ماند. زماني که يک طرف محور آزاد و بي تکيه گاه است و طرف ديگرش به آرامي دايره‌اي را در صفحه‌اي موازي افقي مي‌پمايد. اين پديده با معادله بالا توضيح داده مي‌شود.
گشتاور وارد بر ژيروسکوپ از دو منبع تامين مي‌شود. نيروي جاذبه که به طور عمود به سمت پايين بر مرکز جرم وارد مي‌شود و يک نيروي مساوي به طرف بالا که به طرف تکيه گاه وسيله وارد مي‌شود. چرخش ناشي از اين گشتاور به سمت پايين نيست تا به طوري که احتمالا مورد انتظار است وسيله به زمين بخورد، در واقع بر آيند اينها عمود بر هر دو گشتاور جاذبه‌اي (افقي و عمود بر محور چرخش) و محور چرخش (افقي و به سمت بالا از محل تکيه گاه) يعني يه دور يک محور عمودي خواهد بود که موجب مي‌شود وسيله به آرامي حول نقطهٔ تکيه گاهش بچرخد. تحت يک اندازهٔ گشتاور ثابت τ سرعت تغيير جهت،ΩP به صورت معکوس با L متناسب است و نيز با اندازهٔ ممان زاويه‌اي آن:
au = mathit{Omega}_{mathrm{P}} L sin heta!
که در آن θزاويهٔ بين بردارهاي Lو ΩP است. بنابراين اگر سرعت چرخش ژيروسکوپ کاهش يابد (براي مثال به دليل اصطکاک) ممان زاويه‌اي آن کاهش پيدا مي‌کند و در نتيجهٔ آن نرخ Precession آن افزايش پيدا مي‌کند. اين تا زماني که وسيله ديگر قادر به سريع پيچيدن براي حمل وزن خود نيست، زماني که Precession آن تمام شد و از تکيه گاهش مي‌افتد که اين اتفاق بيشتر به دليل اين است که اصطکاک مقابل Precession موجب Precession ديگري مي‌شود که باعث افتادن وسيله‌است.
به صورت معمول اين سه بردار گشتاور، چرخش و Precession همگي نسبت به همديگر با توجه به قانون دست راست جهت گيري شده‌اند. براي تعيين راحت جهت اثر ژيروسکوپ به سادگي به خاطر داشته باشيد که يک چرخ در حال چرخش وقتي که به گوشه مي‌رود به طرف داخل به چرخش در مي‌آيد.
ژيروستات
ژيروستات يک نوع ديگر ژيروسکوپ است. اولين ژيروستات توسط لرد کلوين(Lord Kelvin) ساخته شد تا حالت پيچيدهٔ حرکت يک حجم چرخان زماني که تحت يک صفحهٔ افقي آزاد گذاشته شود مثل يک top spun در پياده رو و يا يک دوچرخه يا حلقه بر روي خيابان نشان مي‌دهد. اين وسيله شامل يک چرخ سنگين است که در داخل يک پوشش جامد قرار گرفته‌است. رفتار اين وسيله بر روي يک ميز و يا اشکال مختلف تعليق و يا تکيه گاه براي نمايش وضعيت‌هاي خاص بر خلاف قوانين معمل تعادل استاتيکي که به دليل رفتار ژيرواستاتيکي چرخ و نامرئي داخلش وقتي که سريع بچرخد به کار مي‌رود.
در طبقه بندي USPTO محل عمومي براي ژيروسکوپ کلاس ۷۴ ،Machine element or mechanism، و طبقهٔ فرعي ۵R مي‌باشد. هر حجم چرخاني خواص و رفتار ژيروسکوپ دارد ولي اين وسيله‌ها شامل اينکه حداقل يک محور نوسان حاضر باشد. ترکيب ژيروسکوپ با وسايل ديگر در طبقه بندي فرعي ۵٫۲۲ قرار دارند.

Gravitomagnetisem فضا پيماي Gravity Probe B or GPB بيستم آوريل 2004 زمين را براي جستجوي نيرويي از طبيعت كه در وجودش ترديد است، ترك كرده است. اين نيرو ...

امروزه ليزر كاربردهاي بيشماري دارد كه همه زمينه هاي مختلف علمي و فني فيزيك-شيمي-زيست شناسي - الكترونيك و پزشكي را شامل مي شود. همه اين كاربردها نتيجه ...

بسوي ليزر Light amptificationaly stimnlatcd emission of radiation فكر ساختن وسيله‌اي كه نور همدوس توليد كند ، مدتها دانشمندان قرن حاضر را به خود مشغول ...

ليزر مخفف عبارت light amplification by stimulated emission of radiation مي باشد و به معناي تقويت نور توسط تشعشع تحريک شده است.اولين ليزر جهان توسط تئو ...

دانلود نسخه PDF - ژيروسكوپ