Kako deluje žiroskop?

Kaj je žiroskop?

Žiroskop je instrument, ki služi za ohranjanje ali vzdrževanje orientacije in kotne hitrosti telesa. Pri tem izkorišča načelo ohranjanja orientacije kinetičnega momenta. Žiroskop, opremljen z diskom, ki se prosto vrti, lahko zavzame vse možne orientacije, pri čemer njegova os vrtenja ostane nespremenjena.

Ko se namreč vrteči disk žiroskopa vrti, ostane vrtilna os instrumenta stabilna, tudi na nagnjeni podlagi. Ko disk pridobiva na hitrosti, se poveča tudi kinetični moment, kar stabilizira žiroskop in predmet, v katerem je vgrajen.

Precesijsko gibanje

Če med vrtenjem na os deluje sila, izgubi žiroskop ravnotežje. Os se premika počasneje in sledi koničnemu gibanju, imenovanemu precesija. Žiroskop se še naprej vrti, vendar ne pade.

Žiroskop in kinetična energija

V fiziki in klasični mehaniki sta žiroskop in kinetični gib neločljivo povezana. Prvi označuje mehanizem za opazovanje vrtenja in kotnega položaja, drugi pa je vektorska veličina, ki se uporablja za ohranjanje tega vrtenja. Tukaj odkrijte vse, kar morate vedeti o žiroskopu in kinetičnem momentu.

Kinetični moment

Kinetični moment, imenovan tudi kotni moment, je vektorska veličina, ki ima isto smer in isti vektor kot kotna hitrost. Da je to mogoče, mora biti os vrtenja telesa hkrati tudi njegova os simetrije.

Od materialne točke M do točke O je kinetični moment enak momentu gibalne količine glede na točko O, kot navaja Wikipedija. Ko se kinetični moment ne spreminja, ostane os vrtenja stabilna. To je ohranjanje kinetičnega momenta ali giroskopski učinek.

Žiroskopski učinek

Da bi konkretno razumeli ta mehanizem, vzemite kolesarsko kolo. Držite ga z iztegnjeno roko za matice na pestu. Prosite nekoga, naj kolo hitro zavrti. Če poskušate nagniti telo proti vrtečemu kolesu, boste občutili upor. To je ohranjanje kinetičnega momenta, ki nasprotuje temu gibanju. To je žiroskopski učinek , ki omogoča, da kolo ostane v ravnovesju. Pomembno je omeniti, da se žiroskopski učinek povečuje s hitrostjo vrtenja.

Zgodovina žiroskopa

Prvi triosni žiroskop je izumil Léon Foucault leta 1852. Foucault je znan po tem, da je ustvaril Foucaultovo nihalo. Med poskusom, povezanim z vrtenjem Zemlje, je Foucault ugotovil, da se njegovo nihalo vrti počasneje v primerjavi z vrtenjem Zemlje. Ta poskus ga je pripeljal do zasnove instrumenta, ki je sposoben ohranjati hitro vrtenje in to dovolj dolgo. Skupaj s svojim sodelavcem Formentom je ustvaril žiroskop. Ugotovil je tudi, da je ta novi instrument sposoben kazati sever in se poravnati z meridianom. Poimenoval ga je žiroskopski kompas.

Od konca 19. stoletja so se pojavili prvi motorizirani žiroskopi. Žirokompasi se od takrat uporabljajo za določanje geografskega severa in ne več magnetnega severa. Ti so nadomestili tudi kompase na ladjah. Od 20. stoletja naprej so bili žiroskopski kompasi prisotni v vojaški opremi.

Danes se žiroskopi uporabljajo tudi za ohranjanje stabilnosti elektronskih naprav. Najdemo jih v urah, pa tudi v pametnih telefonih, kjer imajo obliko mikro elektromehanskih inercialnih sistemov.

Sestavni deli žiroskopa

Mehanski žiroskop je v osnovi sestavljen iz naslednjih elementov:

• vrteči se disk v središču. V središču tega diska se nahaja težišče žiroskopa, brez katerega instrument ne more delovati.
• os vrtenja, ki poteka skozi središče diska in kaže v katero koli smer.
• Trije kardani (vrtljivi nosilci, ki omogočajo vrtenje predmeta okoli ene osi), ki omogočajo triosni žiroskop:

1. Prvi je pritrjen na os s pomočjo krogličnih ležajev.
2. Drugi je pritrjen na notranjo os
3. Tretji je pritrjen na zunanji okvir

Uporaba žiroskopa

Žiroskop se danes uporablja na več področjih poleg fizike ter v številnih sektorjih (industrija, letalstvo, naftna industrija itd.). Uporablja se v:

• Vodenje torpedov in raket
• usklajevanju ali prikazovanju zavojev v letalu
• Proizvodnjo nekaterih predmetov za sproščanje stresa, kot so vrtavke, jo-joji, vorteconi ali spinnerji
• Stabilizaciji kamere med snemanjem premikajočega se objekta
• Izdelava motornih koles, koles ali dvokolesnih vozil v ravnotežju
• Izdelava radijsko vodenih helikopterjev in še mnogo drugega

Poleg tega se ta instrument uporablja tudi v vesoljskih postajah, na vesoljskem teleskopu Hubble in na različnih drugih področjih, ki so rezervirana za strokovnjake s področja fizike.

Pogosta vprašanja

Kateri žiroskop izbrati za pisalno mizo v pisarni?

Za pisarno je najboljša izbira namizni žiroskop iz nerjavečega jekla s stojalom, saj tiho teče več minut in ne zahteva baterij. Izogibajte se plastičnim modelom za otroke, ki hitreje izgubijo vrtilni moment. Kovinski žiroskop z ročnim vrtenjem deluje kot elegantna znanstvena dekoracija, ki hkrati ponazarja zakone fizike sodelavcem in obiskovalcem.

Kakšna je razlika med žiroskopom na vrvico in elektronskim modelom?

Klasični žiroskop na vrvico za zagon zahteva ročno spretnost, deluje brez elektrike in je cenejši, primeren za darilo ljubiteljem fizike. Elektronski oziroma motorizirani žiroskop se vrti dlje in enakomerneje, kar je idealno za razstavne police ali kot stalen fizikalni eksponat doma. Izbira je odvisna od tega, ali želite interaktivno igračo ali dekorativni predmet.

Za koga je primeren darilni žiroskop kot znanstvena dekoracija?

Precizni kovinski žiroskop je odlično darilo za ljubitelje fizike, inženirje, študente ali otroke, ki jih zanima delovanje vztrajnostnega momenta. Manjši dekorativni model pristaja tudi na pisarniško mizo kot minimalističen kos znanstvene dekoracije. Pri izbiri velikosti upoštevajte prostor na polici, saj večji žiroskopi z LED osvetlitvijo potrebujejo več prostora za stabilno vrtenje.

Na kaj paziti pri nakupu žiroskopa, da dolgo brnijo brez vibracij?

Pri nakupu preverite kakovost ležajev, saj poceni žiroskopi z metalnimi ležaji nizkega razreda hitreje ropotajo in izgubijo ravnotežje. Izberite model s premazom proti obrabi in trdnim jeklenim rotorjem za tišje, daljše vrtenje. Priporočamo tudi stojalo z vdolbino, ki stabilizira žiroskop in prepreči, da bi med demonstracijo fizikalnih pojavov padel s površine.

Sorodni izdelki