Żyroskop jest urządzeniem służącym do pomiaru położenia kątowego lub utrzymywania konta. Najprościej mówiąc działa na podstawie zasady zachowania pędu. Został wynaleziony lub jak kto woli odkryty przez francuskiego fizyka Jeana Foucaulta w 1852 roku. W tym wpisie przyjrzymy się, jak działa żyroskop oraz gdzie jest stosowany.
Jak działa Żyroskop?
Żyroskopem określa się również przyrząd demonstrujący efekty żyroskopowe, spójrz wyżej na zdjęcie tam masz taki przykład. W dużym uproszczeniu jest to krążek, który po wprawieniu w szybki ruch obrotowy zachowuje swoje pierwotne położenie w osi obrotu. Występują jedynie niewielkie ruchy precesyjne (zjawisko zmiany kierunku osi obrotu obracającego się ciała. Oś obrotu sama obraca się wówczas wokół pewnego kierunku w przestrzeni zakreślając powierzchnię boczną stożka) które to uwzględnia się w danym kierunku bądź eliminowane poprzez tłumienie zjawiska. Aby nasz żyroskop pracował, niezbędna jest wysoka prędkość obrotowa oraz bardzo małe tarcie w jego łożyskach. Znikome tarcie możemy uzyskać dzięki zastosowaniu łożyskowana żyroskopu strumieniem sprężonego powietrza, kolejną z opcji jest zawieszenie go w polu magnetycznym czy też elektrostatycznym w próżni. Biorąc pod uwagę błąd żyroskopu, przyjmijmy, że nasz żyroskop obraca się z prędkością 24 tys. obr./min wskazuje stały kierunek w przestrzeni z błędem o wartości 1° na 14 miesięcy, czyli nasz błąd w tym momencie będzie wynosił 0,0001°/h.
Żyroskop kierunkowy jest urządzeniem, które umożliwia obserwację obrotu ciał, do którego został przymocowany. Większość żyroskopów wykonana jest pod postacią szybko wirującego sztywnego obiektu. Zazwyczaj w postaci dysku zawieszonego w odpowiedniej konstrukcji, która umożliwia mu swobodne obracanie się względem układu odniesienia. Efekt ten uzysku się dzięki zastosowaniu przegubów z osią obrotu prostopadła do osi obrotu samego dysku żyroskopu. Dzięki takiej konstrukcji umożliwia to minimalizację przenoszenia obrotów ciała na żyroskop, dążący do utrzymania pierwotnego położenia w przestrzeni inercjalnej. Obecnie częściej wykorzystuje się żyroskopy elektroniczne, są to nowoczesne rozwiązanie, które pozbawione są tradycyjnych elementów ruchomych. Zasada działania trochę się różni od wcześniej omawianego. Elektroniczny żyroskop na jego wejściu podawana jest informacja dotycząca prędkości obrotowej wzdłuż trzech osi (X,Y,Z). Może on być zbudowany z grupy akcelerometrów, których wskazania przeliczane są na wartości prędkości obrotowej. Obecnie elektro liczne wersje wykorzystywane są do stabilizacji lotu dronów, innych obiektów latających. Możesz go również naleźć wewnątrz swojego telefonu.
Gdzie znajduje zastosowanie żyroskop?
Żyroskop jest bardzo praktycznym przyrządem, który montuje się w żyroteodolicie. Jest to urządzenie służące do wyznaczania azymutu geograficznego. Wykorzystuje się go również do budowy żyrokompasów. Te znów znajdują szerokie zastosowanie w urządzeniach, które wskazują wybrany kierunek w nawigacji morskiej jak i lotniczej. Jest on więc montowany obecnie niemal na każdym statku, obecnie ze świecą szukać również śmigłowca czy samolotu na którym nie był by zainstalowany. Przyrząd zbudowany na tej zasadzie określamy żyroskopem, kompasem żyroskopowym lub żyrokompasem. To, w jaki sposób zachowuje się żyroskop, jest bezpośrednim wynikiem zasady zachowania pędu.
Wiele obrotowych ciał niebieskich wykazuje własności żyroskopowe, do tej grupy można zaliczyć bez problemu naszą planetę. Z bardziej codziennych przedmiotów można wyróżnić wirnik silnika który na pewno masz w swoim domu czy pociski wystrzelone z gwintowanej broni (pistoletu czy armaty).
Żyroskopy znajdują szczególne zastosowanie w systemach stabilizacji jednostek pływających takich jak okręty wojenne. W początkowych latach wykorzystywania żyroskopów montowano w okrętowych kadłubach po kilka ciężkich żyroskopów, obracających się ze znaczną prędkością. Przy ogromnych jednostkach koła tych żyroskopów często ważyły ponad 100 ton, a wirując powodowały, że statek nie zmieniał swojego położenia i nie kołysał się tak łatwo na falach, co zwiększało komfort pracy jak i samej podróży. Obecnie w marynarce wojennej montuje się żyroskopy, które rejestrują kołysanie jednostki. Powoduje to zmianę położenia rotora żyroskopu względem podstawy. Zmiany te są wykrywane przez czujniki, które w konsekwencji wytwarzają sygnały elektryczne sterujące systemem poruszanych hydraulicznie płetw. Działają one podobnie do klap na skrzydłach samolotu, wystając z kadłuba statku powyżej linii wody, dążą do jego przechylenia. System ten jest skonstruowany w taki sposób, że wytwarzane przezeń siły mogą przeciwdziałać siłom przeciwnym, przechylającym okręt, które pochodzą od kołysania statku. System ten jest wysoce efektywny nawet podczas złej pogody i przyczyna się do znaczącego zmniejszenia kołysania okrętu. Taka stabilizacja ma ogromne znaczenie dla jednostek typu lotniskowce czy statki szpitale, gdzie kołysanie pokładu mogło by doprowadzić ogromnych problemów. Wiadomo nie eliminuje to efektu falowania w 100%, jednak znacznie go ogranicza.