Wofür werden Gyroskope verwendet?

Inhalt

• Warum lehnen Sie sich nach links, wenn ein Auto nach rechts fährt?
• Der Ursprung des Gyroskops
• Was sind Gyroskope?
• Die Physik des Gyroskops
• Ein Beispiel für Elite-Gyroskope: Das Hubble-Teleskop
• Warum Newtons erstes Gesetz manchmal das "Gesetz der Trägheit" genannt wird
• Ist Trägheit eine Kraft?
• Was misst ein Beschleunigungsmesser?

Das Gyroskop, das oft einfach als Kreisel bezeichnet wird (nicht zu verwechseln mit der griechischen Lebensmittelverpackung), erhält nicht viel Druck. Aber ohne dieses Wunder der Technik wäre die Welt - und insbesondere die Erforschung anderer Welten durch die Menschheit - grundlegend anders. Gyroskope sind in der Raketentechnik und in der Luftfahrt unverzichtbar, und als Bonus eignet sich ein einfaches Gyroskop hervorragend als Kinderspielzeug.

Ein Gyroskop, obwohl eine Maschine mit vielen beweglichen Teilen, ist eigentlich ein Sensor. Ihr Zweck ist es, die Bewegung eines rotierenden Teils in der Mitte des Gyroskops angesichts von Kräfteveränderungen, die durch die äußere Umgebung des Gyroskops hervorgerufen werden, konstant zu halten. Sie sind so konstruiert, dass diese externen Verschiebungen durch Bewegungen der Teile des Gyroskops ausgeglichen werden, die sich immer der auferlegten Verschiebung widersetzen. Dies ist nicht anders als eine federbelastete Tür oder Mausefalle, wenn Sie versuchen, sie zu öffnen, und dies umso heftiger, je mehr Sie sich selbst anstrengen. Ein Gyroskop ist jedoch viel komplizierter als eine Feder.

Warum lehnen Sie sich nach links, wenn ein Auto nach rechts fährt?

Was bedeutet es, eine "äußere Kraft" zu erfahren, das heißt, einer neuen Kraft ausgesetzt zu sein, wenn dich nichts Neues berührt? Überlegen Sie, was passiert, wenn Sie sich auf dem Beifahrersitz eines Autos befinden, das mit konstanter Geschwindigkeit geradeaus gefahren ist. Weil das Auto nicht beschleunigt oder verlangsamt, erfährt Ihr Körper keine lineare Beschleunigung, und weil das Auto nicht dreht, erfahren Sie keine Winkelbeschleunigung. Da Kraft das Produkt von Masse und Beschleunigung ist, erfahren Sie unter diesen Bedingungen keine Nettokraft, selbst wenn Sie sich mit einer Geschwindigkeit von 200 Meilen pro Stunde bewegen. Dies steht im Einklang mit Newtons erstem Bewegungsgesetz, das besagt, dass ein ruhendes Objekt in Ruhe bleibt, wenn es nicht von einer äußeren Kraft beaufschlagt wird, und dass sich ein Objekt, das sich mit konstanter Geschwindigkeit in derselben Richtung bewegt, auf seinem exakten Weg fortsetzt, sofern dies nicht der Fall ist einer äußeren Kraft ausgesetzt.

Wenn das Auto jedoch nach rechts abbiegt, stürzen Sie in Richtung des Fahrers auf der linken Seite, sofern Sie keine physischen Anstrengungen unternehmen, um der plötzlichen Einführung der Winkelbeschleunigung in Ihr Fahrzeug entgegenzuwirken. Sie haben keine Nettokraft mehr erlebt, als eine Kraft, die direkt aus dem Mittelpunkt des Kreises heraus zeigt, aus dem das Auto gerade herauszufinden begonnen hat. Da kürzere Kurven zu einer größeren Winkelbeschleunigung bei einer bestimmten Lineargeschwindigkeit führen, ist Ihre Tendenz, sich nach links zu neigen, stärker, wenn Ihr Fahrer scharf abbiegt.

Ihre eigene, sozial verankerte Praxis, nur so viel Anti-Lehn-Kraft aufzubringen, dass Sie in der gleichen Position auf Ihrem Sitz bleiben, entspricht der Vorgehensweise von Gyroskopen, wenn auch in weitaus komplexerer und effektiverer Weise.

Der Ursprung des Gyroskops

Das Gyroskop geht formal auf die Mitte des 19. Jahrhunderts und den französischen Physiker Leon Foucault zurück. Foucault ist vielleicht besser bekannt für das Pendel, das seinen Namen trägt und den größten Teil seiner Arbeit in der Optik erledigt hat, aber er hat ein Gerät entwickelt, mit dem er die Erdrotation demonstriert, indem er einen Weg gefunden hat, wie man effektiv aufhebt oder isolieren Sie die Auswirkungen der Schwerkraft auf die innersten Teile des Geräts. Dies bedeutete, dass jede Änderung der Rotationsachse des Gyroskoprads während der Rotationszeit durch die Erdrotation verursacht werden musste. So entfaltet sich der erste formale Einsatz eines Gyroskops.

Was sind Gyroskope?

Das Grundprinzip eines Gyroskops kann unter Verwendung eines sich drehenden Fahrradrads isoliert dargestellt werden. Wenn Sie das Rad auf jeder Seite mit einer kurzen Achse in der Mitte des Rads halten (wie ein Stift) und jemand das Rad drehen würde, während Sie es halten, würden Sie feststellen, dass Sie versuchen, das Rad zur Seite zu kippen würde es nicht annähernd so leicht in diese Richtung gehen wie wenn es sich nicht drehen würde. Dies gilt für jede Richtung Ihrer Wahl und unabhängig davon, wie plötzlich die Bewegung eingeleitet wird.

Es ist vielleicht am einfachsten, die Teile eines Gyroskops von innen nach außen zu beschreiben. Erstens befindet sich in der Mitte eine rotierende Welle oder Scheibe (und wenn Sie geometrisch darüber nachdenken, ist eine Scheibe nichts anderes als eine sehr kurze, sehr breite Welle). Dies ist die schwerste Komponente der Anordnung. Die Achse, die durch die Mitte der Scheibe verläuft, ist durch nahezu reibungslose Kugellager an einem Kreisring befestigt, der als Kardanring bezeichnet wird. Hier wird die Geschichte merkwürdig und höchst interessant. Dieser Kardanring ist selbst durch ähnliche Kugellager an einem anderen Kardanring befestigt, der nur ein kleines Stück breiter ist, so dass der innere Kardanring sich innerhalb der Grenzen des äußeren Kardanrings frei drehen kann. Die Befestigungspunkte der Kardanringe aneinander liegen entlang einer Linie senkrecht zur Drehachse der Zentralscheibe. Schließlich wird der äußere Kardanring durch noch mehr leichtgängige Kugellager an einem dritten Reifen befestigt, der als Rahmen des Gyroskops dient.

(Sie sollten sich ein Diagramm eines Gyroskops ansehen oder die kurzen Videos in den Ressourcen ansehen, wenn Sie dies nicht bereits getan haben. Andernfalls ist all dies fast unmöglich zu visualisieren!)

Der Schlüssel zur Funktion des Gyroskops besteht darin, dass die drei miteinander verbundenen, sich jedoch unabhängig drehenden Kardanringe Bewegungen in drei Ebenen oder Dimensionen ermöglichen. Wenn etwas die Drehachse der inneren Welle möglicherweise stören sollte, kann dieser Störung gleichzeitig in allen drei Dimensionen widerstanden werden, da die Kardanringe die Kraft auf koordinierte Weise "absorbieren". Was im Wesentlichen passiert, ist, dass, wenn sich die beiden Innenringe als Reaktion auf jede Störung, die das Gyroskop erfahren hat, drehen, ihre jeweiligen Drehachsen in einer Ebene liegen, die senkrecht zur Drehachse der Welle bleibt. Wenn sich diese Ebene nicht ändert, ändert sich auch die Wellenrichtung nicht.

Die Physik des Gyroskops

Das Drehmoment ist eine Kraft, die eher um eine Drehachse als geradeaus ausgeübt wird. Es hat somit eher Auswirkungen auf die Drehbewegung als auf die lineare Bewegung. In Standardeinheiten ist es Kraft mal der "Hebelarm" (der Abstand vom realen oder hypothetischen Rotationszentrum; denken Sie an "Radius"). Es hat daher Einheiten von Nm.

Was ein Gyroskop in Aktion leistet, ist eine Umverteilung der angelegten Drehmomente, so dass diese die Bewegung der Zentralwelle nicht beeinträchtigen. Hierbei ist unbedingt zu beachten, dass ein Gyroskop nicht dazu gedacht ist, dass sich etwas in einer geraden Linie bewegt. Es soll etwas in Bewegung halten mit konstanter Drehgeschwindigkeit. Wenn Sie darüber nachdenken, können Sie sich wahrscheinlich vorstellen, dass Raumschiffe, die zum Mond oder zu weiter entfernten Zielen fliegen, nicht von Punkt zu Punkt fliegen. Vielmehr nutzen sie die Schwerkraft, die von verschiedenen Körpern ausgeübt wird, und bewegen sich in Trajektorien oder Kurven. Der Trick besteht darin, sicherzustellen, dass die Parameter dieser Kurve konstant bleiben.

Es wurde oben angemerkt, dass der Schaft oder die Scheibe, die das Zentrum des Gyroskops bilden, dazu neigen, schwer zu sein. Es neigt auch dazu, sich mit außergewöhnlichen Geschwindigkeiten zu drehen - die Gyroskope des Hubble-Teleskops drehen sich beispielsweise mit 19.200 Umdrehungen pro Minute oder 320 Umdrehungen pro Sekunde. Oberflächlich betrachtet erscheint es absurd, wenn Wissenschaftler ein so empfindliches Instrument mit einer (buchstäblich) rücksichtslos freilaufenden Komponente ausstatten. Stattdessen ist dies natürlich strategisch. Momentum ist in der Physik einfach Masse mal Geschwindigkeit. Entsprechend ist Drehimpuls Trägheit (eine Größe, die Masse enthält, wie unten gezeigt) mal Winkelgeschwindigkeit. Je schneller sich das Rad dreht und je größer seine Trägheit durch eine größere Masse ist, desto mehr Drehimpuls besitzt die Welle. Infolgedessen haben die kardanischen und äußeren Gyroskopkomponenten eine hohe Fähigkeit, die Auswirkungen des externen Drehmoments zu dämpfen, bevor dieses Drehmoment Niveaus erreicht, die ausreichen, um die Ausrichtung der Wellen im Raum zu stören.

Ein Beispiel für Elite-Gyroskope: Das Hubble-Teleskop

Das berühmte Hubble-Teleskop enthält sechs verschiedene Gyroskope für die Navigation, die regelmäßig ausgetauscht werden müssen. Die erstaunliche Drehzahl des Rotors führt dazu, dass Kugellager für dieses Gyroskop-Kaliber praktisch unmöglich sind. Stattdessen verwendet der Hubble Gyroskope mit Gaslagern, die ein nahezu reibungsloses Dreherlebnis bieten, wie es von Menschen gebaut wird.

Warum Newtons erstes Gesetz manchmal das "Gesetz der Trägheit" genannt wird

Trägheit ist ein Widerstand gegen Geschwindigkeits- und Richtungsänderungen, unabhängig davon, was sie sind. Dies ist die Laienversion der vor Jahrhunderten von Isaac Newton abgegebenen förmlichen Erklärung.

In der Alltagssprache bezieht sich "Trägheit" normalerweise auf eine Zurückhaltung, sich zu bewegen, wie z. B. "Ich wollte den Rasen mähen, aber die Trägheit hielt mich an der Couch fest." Es wäre jedoch seltsam zu sehen, dass sich jemand, der gerade das Ende eines 42 km langen Marathons erreicht hat, weigert, aufgrund von Trägheitseffekten aufzuhören, obwohl die Verwendung des Begriffs aus physikalischer Sicht hier ebenfalls zulässig wäre - wenn Der Läufer rannte weiter in die gleiche Richtung und mit der gleichen Geschwindigkeit, technisch gesehen wäre das Trägheit bei der Arbeit. Und Sie können sich Situationen vorstellen, in denen Leute behaupten, sie hätten aufgrund von Trägheit etwas nicht getan. "Ich wollte das Casino verlassen, aber Trägheit hat mich von Tisch zu Tisch gebracht." (In diesem Fall könnte "Momentum" besser sein, aber nur, wenn der Spieler gewinnt!)

Ist Trägheit eine Kraft?

Die Gleichung für den Drehimpuls lautet:

L = Iω

Wobei L Einheiten von kg ⋅ m hat²/ s. Da die Einheiten der Winkelgeschwindigkeit ω reziproke Sekunden oder s-1 sind, hat I, die Trägheit, Einheiten von kg kg m². Die Standardkrafteinheit, der Newton, zerfällt in kg ⋅ m / s². Trägheit ist also keine Kraft. Dies hat den Ausdruck "Trägheitskraft" nicht davon abgehalten, in die gängige Umgangssprache einzutreten, wie dies bei anderen Dingen der Fall ist, die sich wie Kräfte "anfühlen" (Druck ist ein gutes Beispiel).

Randnotiz: Während Masse keine Kraft ist, ist Gewicht eine Kraft, obwohl die beiden Begriffe im Alltag synonym verwendet werden. Dies liegt daran, dass Gewicht eine Funktion der Schwerkraft ist und da nur wenige Menschen die Erde jemals für längere Zeit verlassen, sind die Gewichte von Objekten auf der Erde praktisch konstant, genauso wie ihre Massen buchstäblich konstant sind.

Was misst ein Beschleunigungsmesser?

Ein Beschleunigungsmesser misst, wie der Name schon sagt, die Beschleunigung, aber nur die lineare Beschleunigung. Dies bedeutet, dass diese Vorrichtungen in vielen dreidimensionalen Gyroskopanwendungen nicht besonders nützlich sind, obwohl sie in Situationen nützlich sind, in denen die Bewegungsrichtung nur in einer Dimension auftreten kann (z. B. in einem typischen Aufzug).

Ein Beschleunigungsmesser ist eine Art Inertialsensor. Ein Kreisel ist ein anderes, außer dass der Kreisel die Winkelbeschleunigung misst. Und obwohl außerhalb des Geltungsbereichs dieses Themas ein Magnetometer eine dritte Art von Inertialsensor ist, wird dieser für Magnetfelder verwendet. In Virtual Reality (VR) -Produkten sind diese Inertialsensoren kombiniert, um den Benutzern robustere und realistischere Erfahrungen zu ermöglichen.