تقدم یا انحراف در ژیروسکوپ

تقدم یا انحراف در ژیروسکوپ:
اگر تا به حال با ژیروسکوپ های اسباب بازی کار کرده باشید، می دانید که آن ها می توانند انواع ترفندهای جالب را انجام دهند.

آن ها می توانند روی نخ یا یک انگشت تعادل داشته باشند. آن ها می توانند در حرکت حول محور چرخش به روش های بسیار عجیب مقاومت کنند. اما جالب ترین اثر آن ها تقدم یا انحراف نامیده می شود. این بخشی از ژیروسکوپ است که گویی گرانش را نقض می کند.

چگونه این حالت توسط ژیروسکوپ انجام می شود؟
این اثر اسرار آمیز تقدم یا انحراف است. در حالت کلی precession به این صورت عمل می کند:

اگر یک ژیروسکوپ در حال چرخش دارید و سعی می کنید محور چرخش آن را بچرخانید، ژیروسکوپ در عوض سعی می کند حول یک محور با زاویه راست نسبت به محور نیروی شما بچرخد. این موضوع در شکل زیر نمایش داده شده است.

در شکل اول، ژیروسکوپ بر روی محور خود می چرخد. در شکل دوم، نیرویی برای چرخاندن محور چرخش آن اعمال می شود. در شکل سوم، ژیروسکوپ به نیروی ورودی در امتداد یک محور عمود بر نیروی ورودی واکنش نشان می دهد.

چرا انحراف یا تقدم در ژیروسکوپ رخ می دهد؟
چرا ژیروسکوپ باید این رفتار را نشان دهد؟ این کاملاً غیرمنطقی به نظر می رسد که محور چرخ دوچرخه می تواند چنین در هوا معلق باشد. اگر به آنچه در حال چرخش در قسمت های مختلف ژیروسکوپ است توجه کنید خواهید دید که این رفتار کاملاً طبیعی است.

بیایید به دو بخش کوچک یعنی بالا و پایین ژیروسکوپ در حال چرخش نگاه کنیم. هنگامی که نیرو به محور وارد می شود، قسمت بالای ژیروسکوپ سعی می کند به سمت چپ حرکت کند و قسمت پایین ژیروسکوپ سعی می کند مانند تصویر به سمت راست حرکت کند. اگر ژیروسکوپ همان طور که در ویدئوی قبل نشان داده شده است نچرخد، چرخ سقوط می کند و در حالت عمودی قرار می گیرد. اگر ژیروسکوپ در حال چرخش باشد، باید قوانین فیزیکی زیر را در نظر گرفت.

اولین قانون حرکت نیوتن بیان می کند که جسمی که در حال حرکت است با سرعت ثابت در امتداد یک خط مستقیم به حرکت خود ادامه می دهد مگر اینکه تحت تأثیر نیروی نامتعادل قرار گیرد.

بنابراین نقطه بالای ژیروسکوپ با نیروی وارد شده به محور عمل کرده و به سمت چپ حرکت می کند. به دلیل اولین قانون حرکت نیوتن این نقطه به حرکت به سمت چپ ادامه می دهد، اما چرخش ژیروسکوپ آن را می چرخاند.

این تأثیر عامل انحراف یا تقدم است. در حقیقت بخش های مختلف ژیروسکوپ نیروها را در یک نقطه دریافت می کنند اما پس از آن به موقعیت های جدید چرخش انجام می دهند. هنگامی که بخش بالای ژیروسکوپ 90 درجه به پهلو می چرخد، به میل خود به حرکت به سمت چپ نیز ادامه می دهد.

همین امر در مورد قسمت پایین ژیروسکوپ نیز صادق است. این نقطه 90 درجه به پهلو می چرخد و همچنان به حرکت خود به سمت راست ادامه می دهد. این نیروها چرخ را در جهت پیشروی می چرخانند. با ادامه چرخش به اندازه 90 درجه در نقاط مشخص شده، حرکت اصلی آن ها لغو می شود.

بنابراین محور ژیروسکوپ در هوا آویزان و در حال حرکت می ماند. وقتی از این دریچه به حرکت ژیروسکوپ نگاه کنید، متوجه می شوید که این انحراف اصلاً شبیه به جادو و یا شعبده بازی نیست و کاملاً با قوانین فیزیک مطابقت دارد.

ژیروسکوپ برای چه مواردی استفاده می شود؟
ژیروسکوپ ها در قطب نمای کشتی ها و هواپیماها، مکانیسم فرمان در اژدرها و سیستم های هدایت کننده نصب شده در موشک های بالستیک و ماهواره های در حال چرخش در جاهای دیگر ساخته شده اند.

چرا ژیروسکوپ ها تحت تأثیر جاذبه قرار نمی گیرند؟
ممکن است به نظر برسد که جاذبه بر روی آن ها تأثیری ندارد، اما در حقیقت اینطور نیست. این اثر به دلیل اصل بقای تکانه زاویه ای است.