ژیروسکوپ چیست؟

با استفاده از این وسیله می توان جهت یا محورهای ثابتی را برای وسیله نقلیه تعریف کرد که هرگونه حرکت زاویه ای وسیله نقلیه نسبت به محورهای آن سنجیده شود.ژیروسکوپ، عضو اصلی سامانه های هدایت اینرسی است که برای اندازه گیری مقدار و سرعت دوران و ایجاد محور های مختصات مرجع در وسایل نقلیه هوایی، فضایی و دریایی استفاده می شود.

از دوران کودکی به خاطر داریم که وقتی فرفره ی کوچکی را با کمک نیروی انگشتان خود می چرخانیم فرفره حول محورش و روی نوک تیز خود شروع به چرخش می کرد.بدون چرخش فرفره، امکان ایستادن فرفره روی نوکش وجود نداشت.

در واقع چرخش فرفره حول محورش موجب پایداری و حفظ جهت فرفره می شد.این توضیح ساده مبنای کارکرد ژیروسکوپ های مکانیکی می باشد و از ان منظر، زمین نیز یک ژیروسکوپ است که به علت دوران، محور خود را در فضا ثابت نگه می دارد.

طبق اصل بقای اندازه حرکت زاویه ای، هر جسم متقارن در حال چرخش سعی دارد جهت خود را همواره در فضا حفظ کند.از این رو اگر یک جسم متقارن را با دور بالا بچرخانیم و اطراف آن را با یاتاقان و بلبرینگ آزاد بگذاریم که نیروهای خارجی بر آن اعمال نشود، یا چرخش قابی که جسم درون آن دوران می کند، جهت چرخش جسم دوار تغییر نمی کند.بنابراین می توانیم با کمک این وسیله در اجسام متحرک جهت چرخش جسم دوار تغییر نمی کند و با کمک این وسیله در اجسام متحرک جهت ثابتی داشته باشیم که وضعیت فعلی خود را درهر لحظه با آن مقایسه نماییم.

لذا موقعیت زاویه ای و محاسبه سرعت تغییر سرعت زاویه ای را به دست آوریم.عضو اصلی ژیروسکوپ های مکانیکی، یک دستگاه دوار یا روتور است که معمولا با سرعت زیاذ حول محور تقارن خود دوران می کند این سرعت از 3000تا 300000 دور در دقیقه می باشد.لذا در اثر اینرسی جرم دوار، اندازه حرکت(ممنتوم)نسبتا بزرگی ایجاد می شود.

اگر یاتاقان بندی محور چرخش را در طوقه ای معلق تعبیه کنیم به نحوی که گشتاور خارجی به آن وارد نشود، با وجود تمام حرکت های قاب، محور چرخش روتور همواره به جهت ثابتی اشاره می کند و موقعیت خود را در فضا حفظ می کند.با این روش می توان جهت و یا محورهای ثابتی را برای وسیله نقلیه تعریف کرد که هرگونه حرکت زاویه ای نسبت به این محورها سنجیده شود.

تاریخچه

کلمه ژیروسکوپ واژه ی یونانی است که از دو بخش جایرو به معنای دوران و اسکوپ به معنای نشان دادن است.به این ترتیب معنای تحت اللفظی آن دوران نما است که بیان گر وظیفه آن نیز می باشد.نخستین پدیده ی ژیروسکوپی، 125 سال قبل از میلاد حضرت مسیح توسط ایرخوس کشف شد.تا زمان نیوتن یعنی اواخر قرن 17 میلادی، تنوع چندانی در این خصوص صورت نگرفت.اما در قرن 18، برخی محققین مانند اولر، تحقیقات قابل ملاحظه ای در دینامیکی اجسام دوار صورت دادند.

در همین قرن، در انگلستان درباره ایجاد یک افق مصنوعی برای کشتی ها، بررسی هایی عمل آمد.به این منظور از یک قرقره دوار استفاده شد که یک آینه مسطح مصنوعی برای کشتی ها، بررسی هایی عمل آمد.به این منظور از یک قرقره دوار استفاده شد که یک آینه مسطح عمود بر امتداد محور چرخش آن قرار داشت.در اواسط قرن 19، فوکو، دانشمند فرانسوی برای نشان دادن دوران زمین از یک ژیروسکوپ استفاده کرد که این ار به علت نداشتن یک موتور الکتریکی مناسب، به شکل دقیقی انجام نگرفت.

همین دانشمند بود که برای نخستین بار در سال 1852 میلادی نام ژیروسکوپ را برای آن برگزید و در سال 1900 شخصی آلمانی به نام آنشوش کامف تصمیم به ساختن زیر دریایی برای کاوش در قطب شمال گرفت.اما وسایل هدایت و راهیابی دقیق برای این کار وجود نداشت.به ویژه قطب نماهای مغناطیسی در محدوده قطب شمال به دلیل وجود میدان های مغناطیسی قوی، از دقت و عملکرد صحیح می افتادند.

از این رو تلاش کرد تا قطب نمای دیگری که مستقل از خواص مغناطیسی عمل کند بسازد.تلاش وی منجر به به ساخت قطب نمایی شد که بر اساس خواص ژیروسکوپی کار می کرد و آن را قطب نما قطب نمای ژیروسکوپی نام نهادند.این قطب نما، در واقع نخستین وسیله دقیق هدایت و راه یابی است که بر اساس اصول اینرسی کار می کرد. پیشرفت صنعت و پدیدار شدن وسایل نقلیه فضایی، لزوم ابداع و هدایت و کنترل دقیق را بیش از پیش آشکار ساخت.

به ویژه وقوع جنگ جهانی اول و دوم و تولید نسل های جدید انواع هواپیما و موشک ها، دانشمندان و محقیقین را به نحو بارزی بر آن داشت تا در زمینه ابداع وسایل دقیق تر و با کیفیت بالاتر تلاش بیشتری صورت دهند.قدم اساسی دراین زمینه طی جنگ جهانی دوم در دانشگاه ام آی تی آمریکا برداشته شد که تحت سرپرستی شخصی به نام چارلز دراپر، ژیروسکوپ هایی دقیق و کوچک برای نصب روی هواپیما ساخته شد که بخاطر مین تلاشهایش او را آقای جایرو لقب نهادند.

پس از جنگ جهانی دوم، روش هدایت و ناوبری اینرسی به عنوان روشی دقیق و قابل اعتماد برای هدایت وسایل فضایی ساخته شد.نخستین سامانه هدایت که به طور کامل بر مبنای اصول اینرسی توسط ژیروسکوپ ها و شتاب سنج ها عمل می کرد و در آن از یاتاقان های گازی برای تعلیق طوقه ها استفاده شده بود، در سال 1950مورد آژمایش پروازی قرار گرفت.امروزه نیز سامانه هدایت اینرسی، به عنوان یکی از مهم ترین روشها برای هدایت و کنترل در امر هوانوردی و فضانوردی و همچنین هدایت هدایت موشک ها، کشتی ها و زیردریای ها به طور گسترده مورد استفاده قرار دارد.