Gyroskope sind wirklich cool. Auf den ersten Blick sind sie ziemlich seltsame Objekte, die sich auf besondere Weise bewegen und auch "zu trotzen" scheinen. Schwerkraft selbst. Die besonderen Eigenschaften dieser Geräte haben sie unter anderem für die Navigation von unschätzbarem Wert gemacht.
Gyroskope gibt es überall in unserer modernen Welt. Sie finden sie in Flugzeugen. Raumstationen und alles, was sich dreht.
Und sie sind großartig.
Ein typisches Flugzeug hat oft eine ganze Reihe davon, einschließlich des alles entscheidenden Kompasses. Die Mir Raumstation tatsächlich verwendet 11 von ihnen, um es relativ zur Sonne ausgerichtet zu halten, und das Hubble-Teleskop hat auch eine Menge davon.
VERBINDUNG: DAS WENIGSTE OPTISCHE GYROSKOP DER WELT IST JETZT KLEINER ALS EIN REISKORN
Hier werfen wir einen kurzen Blick auf diese besonderen Geräte und ihre Bedeutung für unsere moderne Welt.
Was ist die Definition eines Gyroskops?
Nach dem Englisches Oxford-Wörterbuch ein Gyroskop ist ein " Gerät, das aus einem Rad oder einer Scheibe besteht, die so montiert ist, dass sie sich schnell um eine Achse drehen kann, deren Richtungsänderung sich selbst frei ändert. Ausrichtung der Achse wird durch das Kippen der Halterung nicht beeinflusst. "
Obwohl diese Definition großartig ist, erklärt sie nicht wirklich, wie sie funktionieren oder warum sie so wichtig sind vorausgesetzt, wir haben die Definition ein wenig gekürzt. Schauen wir uns zunächst ihr "seltsames Verhalten" an.
Tricks des Handels
Gyroskope sind in ihrer grundlegendsten Form ein sich drehendes Rad / eine sich drehende Scheibe auf einer Achse. Komplexere Beispiele wird auch auf einem Metallrahmen oder einem Satz beweglicher oder unbeweglicher Rahmen oder Kardanrahmen montiert, um die Präzision des Geräts zu erhöhen.
Obwohl sie wie einfache Objekte auf der Oberfläche erscheinen, können sie tatsächlich einige sehr seltsame Tricks ausführen.
Wenn sich das Rad nicht dreht, sind Gyroskope effektiv überentwickelte Briefbeschwerer. Wenn Sie versuchen, eines aufzustehen, fällt es offensichtlich einfach um.
Aber wir dachten, sie könnten der Schwerkraft trotzen? Warten Sie, lassen Sie das Rad durchdrehen und beobachten Sie die Magie.
Vielleicht haben Sie als Kind mit Gyroskopen gespielt? Vielleicht haben Sie eine Zappelspinner ? Wenn ja, werden Sie sich daran erinnern, wie sie viele interessante Tricks ausführen können. Sie können beispielsweise einen auf einer Saite oder Ihrem Finger balancieren, während dieser in Bewegung ist.
Eine weitere bemerkenswerte Eigenschaft von ihnen, falls Sie jemals eine gehalten haben, ist, dass sie versuchen, sich Versuchen zu widersetzen, ihre Position zu verschieben.
Sie können es sogar in einem Winkel neigen, wenn es an einem Ständer aufgehängt ist, und es scheint zu schweben, wenn Sie den Ständer umkreisen. Noch beeindruckender ist, dass Sie ein Gyroskop mit einem Stück Schnur um ein Ende anheben können.
Wie funktionieren Gyroskope?
Die Erklärung für dieses Phänomen ist schwer intuitiv zu verstehen. Ihre Fähigkeit, der Schwerkraft scheinbar zu trotzen, ist ein Produkt von Drehimpuls , beeinflusst durch das Drehmoment auf einer Scheibe, wie die Schwerkraft, um a zu erzeugen Kreiselpräzession der sich drehenden Scheibe oder des sich drehenden Rades.
Dieses Phänomen ist auch bekannt als Kreiselbewegung oder Kreiselkraft, und sie hat sich in der Tat für uns Menschen als sehr nützlich erwiesen. Diese Begriffe beziehen sich auf die Tendenz eines rotierenden Objekts, nicht nur eines Gyroskops, die Ausrichtung seiner Rotation beizubehalten.
Als solches besitzt das rotierende Objekt, wie zuvor erwähnt, einen Drehimpuls, und dieser muss erhalten bleiben. Aus diesem Grund t Das sich drehende Objekt widersteht jeder Änderung seiner Drehachse, da eine Änderung der Ausrichtung zu einer Änderung des Drehimpulses führt.
Ein weiteres großartiges Beispiel für Präzession ist auch der Planet Erde. Wie Sie wissen, ist der Erdrotationsachse liegt tatsächlich in einem Winkel von der Vertikalen, der aufgrund seines Winkels einen Kreis zeichnet, wenn sich die Rotationsachse selbst dreht.
Obwohl für diesen Artikel nicht ganz relevant, der Grund für die Erde ungerade Neigung ist eigentlich ziemlich interessant.
Dieser Effekt wird verstärkt, je schneller sich die Scheibe oder das Rad dreht. Newtons zweites Gesetz sagt voraus. Dies scheint für jeden mit Grundkenntnissen in Physik ziemlich offensichtlich zu sein.
Der Hauptgrund, warum sie der Schwerkraft zu trotzen scheinen, ist das effektive Drehmoment, das auf die sich drehende Scheibe auf ihren Drehimpulsvektor ausgeübt wird. Der Einfluss von Schwerkraft im Flugzeug der sich drehenden Scheibe bewirkt, dass sich die Drehachse "auslenkt".
Dies führt dazu, dass die gesamte Rotationsachse einen "Mittelweg" zwischen dem Einfluss der Schwerkraft und ihrem eigenen Drehimpulsvektor findet. Denken Sie nun daran, dass der Gyroskopapparat durch etwas im Weg daran gehindert wird, in Richtung des Schwerpunkts zu fallen.- wie zum Beispiel Ihre Hand, der Rahmen / die Kardanringe oder ein Tisch.
Die Berücksichtigung der Tatsache, dass das Gyroskop daran gehindert wird, durch etwas im Weg in Richtung des Schwerpunkts zu fallen, führt zu den faszinierenden Eigenschaften, die wir in diesen Geräten sehen.
Ein Bild - also ein Video - sagt mehr als tausend Worte, daher werden wir dem folgenden Video eine ausführlichere Erklärung übertragen :
Gyroskop vs. Beschleunigungsmesser: Was ist der Unterschied zwischen den beiden?
Um diese Frage vollständig zu beantworten, müssen wir beurteilen, wie jedes Gerät funktioniert. Da wir das Gyroskop oben bereits ausführlich behandelt haben, schauen wir uns an, was ein Beschleunigungsmesser ist und wie er funktioniert.
Ein Beschleunigungsmesser ist definiert durch Merriam Webster Wörterbuch als " ein Messgerät Beschleunigung oder zum Erkennen und Messen von Schwingungen. "
Großartig, aber das gibt uns nicht wirklich viele Informationen. Beschleunigungsmesser im einfachsten Sinne sind elektromechanische Geräte, die Beschleunigungskräfte messen - daher der Name.
Diese Kräfte können entweder statisch wie die Schwerkraft oder dynamisch verursacht durch Bewegen oder Vibrieren des Geräts sein. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, einen Beschleunigungsmesser herzustellen, wobei die meisten entweder den piezoelektrischen Effekt oder die Erfassungskapazität verwenden.
Ersteres besteht in der Regel aus mikroskopisch kleinen Kristallstrukturen, die durch Beschleunigungskräfte belastet werden und im Gegenzug eine Spannung erzeugen. Letzteres verwendet zwei nebeneinander angeordnete Mikrostrukturen.
Jeder hat eine bestimmte Kapazität, und wenn Beschleunigungskräfte eine der Strukturen bewegen, ändert sich seine Kapazität. Durch a Wenn Sie einige Schaltkreise zur Umwandlung von Kapazität in Spannung verwenden, erhalten Sie einen sehr nützlichen kleinen Beschleunigungsmesser.
Es gibt noch mehr Methoden, einschließlich der Verwendung des piezoresistiven Effekts, der Heißluftblasen und des Lichts, um nur einige zu nennen. Wie Sie sehen können, sind Beschleunigungsmesser und Gyroskope in der Tat sehr unterschiedliche Tiere.
Im Wesentlichen besteht der Hauptunterschied zwischen beiden darin, dass einer die Rotation erfassen kann, während der andere dies nicht kann. Da Gyroskope nach dem Prinzip des Drehimpulses arbeiten, sind sie perfekt, um die Ausrichtung eines Objekts im Raum anzuzeigen.
Beschleunigungsmesser hingegen können die lineare Beschleunigung nur anhand von Vibrationen messen.
Es gibt jedoch einige Variationen des Beschleunigungsmessers die auch ein Gyroskop enthalten. Diese Geräte bestehen aus einem Gyroskop mit einem Gewicht auf einer seiner Achsen.
Das Gerät reagiert auf eine vom Gewicht erzeugte Kraft, wenn es beschleunigt wird, indem diese Kraft integriert wird, um Geschwindigkeit zu erzeugen.
Was sind optische Gyroskope?
Eine andere Form des Gyroskops ist ein optisches Gyroskop . Dieses Gerät hat keine beweglichen Teile und wird üblicherweise in modernen Verkehrsflugzeugen, Booster-Raketen und umlaufenden Satelliten verwendet.
Ausnutzen von etwas namens Sagnac-Effekt Diese Geräte verwenden Lichtstrahlen, um eine ähnliche Funktion wie mechanische Gyroskope zu erzielen. Der Effekt wurde erstmals 1911 von Franz Harris demonstriert, aber es war der französische Wissenschaftler Georges Sagnac, der die Ursache korrekt identifizierte.
I Ein Lichtstrahl wird geteilt und in zwei entgegengesetzte Richtungen um einen geschlossenen Pfad auf einer Drehplattform mit Spiegeln am Umfang gesendet. Anschließend werden die Strahlen rekombiniert und zeigen Interferenzeffekte. 1913 Sagnac Schlussfolgerung, dass sich Licht mit einer Geschwindigkeit ausbreitet, die von der Geschwindigkeit der Quelle unabhängig ist.
Er entdeckte auch, dass der Strahl, der sich in derselben Drehrichtung bewegte, etwas später als der andere an seinem Startpunkt ankam, obwohl sich beide Strahlen in einem geschlossenen Regelkreis befanden.
nach Encyclopedia Britannica , "a Als Ergebnis wurde ein "Streifeninterferenz" -Muster abwechselnde helle und dunkle Bänder festgestellt, das von der genauen Drehzahl des Plattentellers abhängt. "
Die Regel für die rechte Hand
Wissenschaftler tendieren dazu, die sogenannte "Rechtsregel" zu verwenden, um dies zu visualisieren.
Nehmen Sie dazu Ihre rechte Hand und machen Sie einen rechten Winkel. Dann können Sie Ihre Finger entlang des Radius des Rades ausstrecken.
Wenn Sie das Ende Ihrer Finger in Richtung der Drehung krümmen, zeigt Ihr Daumen in Richtung des Drehimpulses. Grundsätzlich ist die Achse des Rads die Richtung, in die sich das gesamte sich drehende Rad "bewegen" möchteim.
Dieses Video gibt uns eine ziemlich einfache Erklärung mit einem hängenden Fahrradrad.
Anwendungen von Gyroskopen
Die interessanten Eigenschaften von Gyroskopen haben Wissenschaftlern und Ingenieuren einige faszinierende Anwendungen geboten. Ihre Fähigkeit, eine bestimmte Ausrichtung beizubehalten Leerzeichen ist für einige Anwendungen fantastisch.
Wenn Sie einige Sensoren einschalten, haben Sie ein Rezept für die Nützlichkeit. In diesem Sinne finden Sie hier einige großartige Beispiele für die Verwendung von Gyroskopen in unserer modernen Welt.
1. In Flugzeugen finden Sie viele Gyroskope
In der Moderne Flugzeug Trägheitsleitsysteme nutzen diese relativ einfachen Geräte gut. Sie verfügen über eine Reihe sich drehender Gyroskope zur Überwachung und Steuerung der Ausrichtung des Flugzeugs im Flug. Spinngyroskope werden in speziellen Käfigen aufbewahrt, die es ihnen ermöglichen, ihre Ausrichtung unabhängig voneinander beizubehaltender Ausrichtung des Flugzeugs.
Die Gyroskopkäfige über elektrische Kontakte und Sensoren verfügen, die Informationen an den Piloten weiterleiten können, wenn das Flugzeug rollt oder sich neigt. Dadurch können der Pilot und die Leitsysteme die aktuelle relative Ausrichtung des Flugzeugs im Raum "kennen".
2. Der Mars Rover hat auch ein paar Gyroskope
Die Mars Rover hat auch eine Reihe von Gyroskopen. Sie geben dem Rover Stabilität und helfen bei der Navigation. Sie haben auch Anwendungen in Drohnenflugzeugen und Hubschraubern, bieten Stabilität und helfen bei der Navigation.
3. Marschflugkörper und ballistische Raketen verwenden ebenfalls Gyroskope
Eine weitere interessante Anwendung von Gyroskopen sind die Leitsysteme von Marschflugkörper und ballistische Raketen . Zum automatischen Lenken und Korrigieren von Roll-, Nick- und Giersensoren werden seit den deutschen V-1- und V-2-Raketen des Zweiten Weltkriegs Gyroskopsensoren für diesen Zweck verwendet.
In der Regel tragen Raketen zu diesem Zweck mindestens zwei Gyroskope, wobei jeder Kreisel eine feste Referenzlinie bereitstellt, aus der Abweichungen berechnet werden können. Eine Referenz enthält tendenziell die Drehachse eines vertikalen Gyroskops.
Von dieser Achse aus können Abweichungen in Nick-, Roll- und Gierrichtung leicht gemessen werden. Gyroskope fanden auch Eingang in Stabilisatoren, Bombenvisiere und Plattformen für den Transport von Waffen und Radarsystemen an Bord von Kriegsschiffen.
4. Gyroskope können auch in Orbitalraumfahrzeugen gefunden werden
Eine weitere interessante Anwendung von Gyroskopen sind die Trägheitsleitsysteme von Orbitalraumfahrzeugen. Solche kleinen Fahrzeuge erfordern ein hohes Maß an Präzision bei der Stabilisierung, und Gyroskope eignen sich hervorragend für diesen Job.
Es gibt einige größere und schwerere Geräte, sogenannte Impulsräder oder Reaktionsräder, die auch für die Höhenkontrolle einiger größerer Satelliten verwendet werden.
5. Teil von Star Wars: Die Rückkehr der Jedi wurde mit Gyroskopen gefilmt
Ein Gerät namens " Steadicam "wurde verwendet, um bestimmte Szenen im Film zu filmen Star Wars: Die Rückkehr der Jedi wie auch in vielen anderen Filmen. Dieses Gerät, das in Verbindung mit mehreren Gyroskopen verwendet wird, hielt die Kamera stabil, als die Hintergrundaufnahmen für die berühmte Speeder-Bike-Verfolgungsjagd auf Endor aufgenommen wurden.
Er wurde von Garrett Brown erfunden und bediente das Rig, um durch einen Redwood-Wald zu laufen, in dem die Kamera läuft. ein Bild pro Sekunde . Als das Filmmaterial beschleunigt wurde 24 Bilder pro Sekunde es gab den Eindruck einer Hochgeschwindigkeitsfahrt durch die Bäume.
Heute sind Steadicams Nachkommen ein gemeinsames Merkmal vieler Filmproduktionen.
6. Ihr Telefon hat möglicherweise auch nur eines
Gyroskope haben in den letzten Jahren auch Eingang in verschiedene Konsumgüter gefunden. Indem sie in Handheld-Geräte wie Smartphones integriert werden, können Bewegungen in einem 3D-Raum sehr genau bestimmt werden.
Gyroskope werden in modernen Smartphones normalerweise mit Beschleunigungsmessern kombiniert, um eine hervorragende Richtungs- und Bewegungserkennung zu gewährleisten. Bemerkenswerte Beispiele sind das Samsung Galaxy Note 4, das HTC Titan, das iPhone 5s usw.
Moderne Spielekonsolen enthalten in der Regel auch Gyroskope. Von der Wii-Fernbedienung bis hin zu verschiedenen Peripheriegeräten der Playstation 3 und 4 haben Gyroskope eine völlig neue Möglichkeit eröffnet, Computerspiele zu spielen.
7. Damit wir Drohnen nicht vergessen
Eine weitere interessante Anwendung von Gyroskopen in unserem täglichen Leben ist in Drohnen . Damit diese Geräte perfekt fliegen können, benötigen sie unter anderem Gyroskope, um schweben und waagerecht fliegen zu können.
Moderne kommerzielle Drohnen verwenden in der Regel drei- und sechsachsige Kreiselstabilisatoren. um dem Flugregler Navigationsinformationen bereitzustellen, die das Fliegen von Drohnen einfacher und sicherer machen.
Und das sind alle Leute.
Trotz ihrer Einfachheit im Design sind sie zu unverzichtbaren Ausrüstungsgegenständen für alles geworden, von Seeschiffe zum Space Shuttle und natürlich Hubschrauber .
Insgesamt sind Gyroskope ziemlich unglaublich, auch wenn Sie nicht wissen, dass sie vorhanden sind. Erstaunlich zu glauben, dass ein so einfaches Gerät so interessante und vielfältige Anwendungen haben kann.
Obwohl sie relativ einfache Geräte sind, haben sie fantastische Eigenschaften, die Wissenschaftler und Ingenieure genutzt haben, um unsere Welt ein bisschen besser zu machen.
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