نحوه کار ژیروسکوپ

ژیروسکوپ چگونه کار می کند؟
ژیروسکوپ در اصل یک روتور عظیم است که در حلقه های نگهدارنده موسوم به جیمبال ثابت شده است. جیمبال ها یاتاقان های بدون اصطکاکی دارند که روتور مرکزی را از گشتاورهای خارجی جدا می کند. راستای چرخش توسط محور چرخان مشخص می شود. روتور در یک راستا می چرخد و دارای سه درجه آزادی چرخشی است. پس از تعادل کامل در سرعت های بالا، محور چرخش با سرعت بالا روتور مرکزی خود را حفظ می کند.

حال هنگامی که به ژیروسکوپ گشتاورهای خارجی یا چرخش های حول محور معین اعمال می شود، می توان جهت را با استفاده از پدیده تقدم و انحراف مسیر اندازه گیری کرد.

این تقدم به تغییر جهت محور چرخشی یک جسم در حال چرخش اشاره دارد. به عبارت دیگر، هنگام اعمال گشتاور خارجی بر روی جسمی که حول یک محور می چرخد، در امتداد جهت عمود بر محور چرخش تقدم ایجاد می شود.

این چرخش حول محور دوران مشخص شده و اطلاعات مربوط به این چرخش به موتور یا دستگاه دیگری منتقل می شود که گشتاور را در جهت مخالف اعمال می کند و در نتیجه حرکت پیشین را لغو کرده و جهت را حفظ می کند. همچنین می توان با استفاده از دو ژیروسکوپ که عمود بر یکدیگر قرار گرفته اند از تقدم جلوگیری کرد. سرعت چرخش را می توان با نوسانی کردن گشتاور متقابل در فواصل زمانی ثابت اندازه گیری کرد.

اولین بار «لئون فوکو» (Leon Foucault)، فیزیکدان فرانسوی در سال 1852 برای نشان دادن حرکت زمین، از این ابزار استفاده کرد. هنگامی که ژیروسکوپ شروع به دوران می کند، اولین سوالی که به ذهن می رسد این است که چرا به دلیل نیروی جاذبه، روی زمین نمی افتد که در این مطلب دلیل این موضوع را بررسی می کنیم. در تصویر زیر، حرکت ژیروسکوپ نشان داده شده است.

شماتیک یک ژیروسکوپ را می توان به صورت زیر رسم کرد. در این شکل، سرعت زاویه ای ثابت دیسک باωs و بر حسب رادیان بر ثانیه نشان داده شده است.ωp نشان دهنده سرعت حرکت تقدیمی (Precession) بوده و با واحد رادیان بر ثانیه اندازه گرفته می شود.

طول میله باL و شعاع دیسک باr نشان داده شده اند. زاویهθ بیانگر زاویه بین میله و خط عمود به زمین است و مقدار ثابتی دارد. هنگامی که دیسک با سرعت زاویه ایωs دوران می کند، سرعت حرکت تقدیمی ژیروسکوپ حول لولایی که روی زمین قرار دارد، برابر باωpاست (زاویه θ در این حرکت ثابت می ماند). 

به دلیل دوران مرکب و با سرعت های زاویه ایωs و ωp، گشتاوری به دیسک دوار وارد می شود. این گشتاور با حاصل ضرب خارجی→ωs×−→ωp متناسب است.

برای تعیین جهت این گشتاور از قانون دست راست استفاده می کنیم. در نتیجه گشتاوری در خلاف جهت حرکت عقربه های ساعت به سیستم وارد می شود. از طرفی، نیروی گرانش باعث می شود گشتاوری در جهت حرکت عقربه های ساعت به دیسک وارد شود. تقابل این دو گشتاور که خلاف جهت هم هستند، از افتادن ژیروسکوپ جلوگیری می کند.