Güroskoop

Allikas: Vikipeedia
Güroskoobi demonstratsioon

Güroskoop on mehaaniline seade, mille abil saab impulsimomenti arvestades mõõta või säilitada ruumilist orientatsiooni [1]. Kiires ringliikumises oleval kettal või muul jäigal kehal (rootoril) on impulsimoment, mis mõjub välistele jõududele vastupidises suunas, hoides süsteemi muutumatuna. Kui see seade paigaldada kardaanliigendile, võib süsteemi keerates täheldada ringliikumises oleva ketta püsimajäämist esialgsele tasandile.

Peale mehaaniliste güroskoopide vurrmehanismide (elektrilised, pneumaatilised) on muudelgi põhimõtetel töötavaid güroskoope: kiirendusanduritega mikrokiibid, fiiberoptilisi ja äärmiselt tundlikke kvantgüroskoope. Güroskoope kasutatakse navigeerimisseadmetes, seda eriti tingimustes, kus traditsioonilist magnetkompassi ei saa kasutada, näiteks kosmoses. Güroskoope kasutatakse laialdaselt lennunduses, näiteks raadio teel juhitavate mehitamata helikopterite ja lennukite autopilootide stabiliseerimisandurina. Veel kasutatakse güroskoopi tunneli kaevamisel suunahoidjana.[2]

Kõige lihtsamad güroskoobi näited on vurr ja kiirelt pöörlev jalgratta ratas. Mittepöörlev vurr ei püsi püsti, aga kui vurr pöörlema panna, hoiab seade end püsti ja kukub alles siis, kui hõõrdejõust tingitud pöörlemise kiiruse kadu lõpetab güroskoopefektist tulenevad seadet püsti hoidvad jõud.

Omadused[muuda | redigeeri lähteteksti]

Güroskoobi toime põhimõte, kiirelt pöörleva rootori telg säilitab mitmeastmelise kardaanliigendi abil oma asendi kõigi ruumi kolme telje suhtes

Güroskoobil on mitu toimeviisi, sealhulgas pretsessioon ja nutatsioon. Gürokompassid täiendavad edukalt magnetkompasse laevadel, lennukites, kosmosejaamades ja sõidukites, kus magnetkompass on kõikumise ajal häiritud. Güroskoop tagab stabiilse asendi ruumis, näiteks: (Hubble'i teleskoop. Samuti on güroskoobid asendamatud telemeetrilistes juhtimis-süsteemides.

Võrrand, mis kirjeldab güroskoobi toimimist, on järgmine:

\boldsymbol\tau={{d \mathbf{L}}\over {dt}}={{d(I\boldsymbol\omega)} \over {dt}}=I\boldsymbol\alpha

kus τ ja L kirjeldavad güroskoobi jõu- ja impulsimomenti, I inertsimomenti, vektor ω nurkkiirust ja α nurkkiirendust.

Eelmisest võrrandist järeldub, et jõumoment τ on pöörlemisteljega risti, seega risti ka impulsimomendiga. Pretsessiooni nurkkiirust kirjeldab valem:

\boldsymbol\tau=\boldsymbol\Omega_{\mathrm{P}} \times \mathbf{L}.
Güroskoobi pretsessioon

Pretsessiooni selgitamiseks kujutlegem, et kiirelt pöörlev suure erikaaluga ketas (rootor) on asetatud oma tasakaalukeskmele nõnda, et tema telg on kaldu. Võiks arvata, et güroskoop kukub gravitatsioonijõu tõttu ümber, kuid selle asemel jääb ta hoopis maapinnaga risti asetseva kujutletava telje ümber tiirlema. Seejuures joonistab ühest otsast maapinnaga ühenduses oleva güroskoobi tiirlev risttelg tasapinnalise ringi ning kogu süsteem joonistab välja koonuse. Jõumomenti toetavad antud hetkel mitu jõudu, nagu gravitatsioonijõud suunaga Maa keskme suunas ning võrdväärne güroskoopefektijõud suunaga üles, toetamaks süsteemi stabiilsust. Pöörlemisest tingitud jõumoment ei ole käesoleval hetkel suunatud alla, nagu võiks intuitiivselt oodata, põhjustades seadeldise kukkumist, vaid on risti nii gravitatsioonilise pöördemomendiga (mis on horisontaalne ja risti pöörlemisteljega) ja ühtlasi veel risti pöörlemise teljega.

Güroskoobi pretsessiooni kiirus ΩP on pöördvõrdeline tema impulsimomendiga L

\tau = \mathit{\Omega}_{\mathrm{P}} L \sin\theta,\!

Kus θ on nurk vektorite ΩP ja L vahel. Seega, kui rootori pöörlemise kiirus väheneb ( näiteks selle telje toetumine pinnasele või rootori enda pinna õhutakistuse tõttu hõõrdumine ), siis sellest tingituna väheneb impulsimoment ja pretsessioonimäär suureneb. See protsess jätkub, kuni seadeldis ei jõua enam piisava kiirusega pöörelda, et impulsimoment toetaks seadeldise raskust. Kui pretsesseeringu lõppedes ketas kukub, on see tingitud impulsimomendi jõu vähenemisest, mis hoidis seadeldist püsti. Enne pöörlemise lõppemist võib täheldada vurri loperdamist tasakaalulise pretsessiooni ja impulsimomendi vahel, ent hõõrde- ja gravitatsioonjõu mõjul kukub lõplikult peatunud rootor ümber.

Kokkuleppeliselt need vektorid – pöördemoment, spinn, ehk pöörlemine ja pretsessioon – on teineteisega orienteeritud parema käe reegli järgi. Lihtsustatult võib öelda, et güroskoopefekt paneb ratta suunda muutma kallakusega samas suunas.

Ajalugu[muuda | redigeeri lähteteksti]

Vanima teadaoleva güroskoobilaadse instrumendi ehitas sakslane Johann Bohnenberger, kes mainis seda aastal 1817, kutsudes seda „Masinaks“.[3][4] Seadeldis põhines keerleval massiivsel sfääril. Aastal 1832 arendas ameeriklane Walter R. Johnson välja sarnase seadeldise, mis põhines keerleval kettal.[5][6] Matemaatikute soovitusel õppeseadeldiseks kasutusele võetud mehhanism paelus Léon Foucaulti. 1852. aastal kasutas Foucault seadeldist Maa pöörlemise uurimise eksperimentides.[7][8] Just tema andis seadeldisele oma tänapäevase nime, „näha Maa pöörlemist“ (Kreeka keelest skopeein, näha, gyros, ring või pöörlemine).[9] Maa pöörlemist ümber oma telje oli märgata 8 kuni 10 minuti möödudes. Selle aja sees güroskoobi pöörlev ketas oli justkui oma pöörlemistelge muutnud, ent Maa oli hoopiski end muutumatu güroskoobi all pööranud, põhjustades näiliselt ketta telje muutuse.

1860. aastatel elektrimootorite kasutusele võtuga sai güroskoopi panna pöörlema automaatselt ning ajaliselt nii kauaks kui tarvis. Valmis esimene gürokompassi prototüüp. Esimese funktsionaalse gürokompassi patenteeris 1904. aastal saksa leiutaja Hermann Anschutz-Kaempfe. Ameeriklane Elmer Sperry tuli välja omapoolse güroskoobi variandiga sama aasta lõpus ning peagi avastasid ka teised riigid leiutise militaarse kasulikkuse.

20. sajandi algus oli aeg, mil merevägi näitas kõige paremini riigi sõjalist võimsust. Ameeriklaste Sperry Gyroscope Company kasvas kiirelt ning pakkus lennukitele ning laevadele stabiliseerimis-seadmeid.

1917. aastal ehitas Chandler Company of Indianapolis „Chandleri güroskoobi“, see on vurr mänguasi, aluse ja vurri pöörlema panemiseks tõmmatava nööriga.

Teises maailmasõjas sai güroskoopidest põhilised lennuki ja õhutõrje sihikute komponendid.

Tänapäeval kasutatakse güroskoope näiteks kaasaskantavates elektroonikaseadmetes nagu Apple’i viimase generatsiooni iPad, iPhone’ides ja teistes nutitelefonides. [[Kiirendusandurid] määravad kiirenduse suurust ruumis ning vastava tarkvara abil kuvatakse kaldenurk nutiseadme ekraanile.

Londoni moment[muuda | redigeeri lähteteksti]

Londoni momendi güroskoop toetub kvantmehaanika ilmingule, milles keerlev ülijuht tekitab magnetvälja, mille teljed ühilduvad täpselt pöörleva güroskoobi tekitatud vektoritega. Magnetomeeter määrab genereeritud magnetvälja orientatsiooni, mis on kalibreeritud määramaks güroskoobi pöörlemise telge. Sellist tüüpi kvantmehhaanilisele nähtusele tuginev güroskoop võib olla äärmiselt täpne ning stabiilne. Näiteks need güroskoobid, mida kasutatakse Gravity Probe B eksperimentides, mõõdavad muutusi güroskoobi pöörlemistelje orientatsioonis paremini kui 0,5 milliarcsekundit (1,4×10-7 kraadi) üle ühe aasta jooksul. Selline pöörlemistelje muutuse uurimine on täpsuselt samaväärne juuksekarva läbimõõdu vaatlemisega 32 kilomeetri kauguselt.

Kaasaegsed kasutusviisid[muuda | redigeeri lähteteksti]

Lennuki elektromehaaniline-güroskoopiline tehishorisont (aviohorisont)

Güroskoope kasutatakse tihti just õppevahenditena kesk- ja ülikoolide füüsikatundides. Demonstratsioonigüroskoobid on tavaliselt ehitatud selliselt, et seadeldise töötamisel ilmnevad füüsikalised jõud tuleksid selgesti esile. Näiteks võidakse ühele vurri küljele asetada lisaraskusi, et seejärel jälgida güroskoobi reageerimist. Samuti on võimalik vurri käes hoides tunda selle güroskoopilist jõudu, mis muudavad demonstratsioonid paeluvamaks.

Võimalik on tellida näiteks güroskoope sisaldavaid arvutihiiri, mis teevad selle kasutamise võimalikuks ka aluspinnalt õhku tõstetuna. Säärased arvutihiired on juhtmevabad, seega perfektsed esitlustel, kus kõneleja liigub ruumis. Arvutihiires olev güroskoop jälgib käe liikumist tasandi suhtes ja tõlgib need ümber kursori liikumiseks.

Güroskoopilist ilmingut kasutatakse näiteks autospordis. Seda seetõttu, et mootorid toimivad just nagu suured güroskoobid. Olenevalt sellest, kas mootori hooratas (pöörlev mass) pöörleb päri- või vastupäeva, on autole mõjuv güroskoopjõud suunatud kas alla või üles. Kasutades mootori pöördeid ära õige nurga all on võimalik parandada auto rajal püsimist.

Güroskoopsensoreid kasutatakse virtuaalsetes peakomplektides mõõtmaks inimese pea liigutusi ja liigutuse kiirusi, millest mõõdetud andmed tõlgendatakse ümber virtuaalreaalsusesse.

Lisaks sellele, et güroskoope kasutatakse kompassides, lennukite avioonikas (pöörangunäidik, aviohorisont, gürokompass), arvutihiirtes, laevades jne, leiavad need seadeldised kasutamist ka olmeelektroonikas. Kuna güroskoop võimaldab määrata ruumilist asendit horisonti nägemata, on konstruktorid lisanud neid modernsetesse seadmetesse. Tehnoloogiate täiustumisel on seadeldise töötäpsus 3D ruumis paranenud, olles efektiivsem endistest üksikutest kiirendusanduritest nutitelefonides. Tuntud kriitik Scott Steinberg on öelnud, et uute optiliste güroskoopide lisamine iPhone 4 toodangusse, muudab ja defineerib uuesti suhtumise allalaaditavasse tarkvarasse.

Peale täpsust võimaldavate kasutusvaldkondade, on güroskoope tehtud ka mänguasjadeks. Tuntuimaks on ehk "Powerball", mille otstarve on olla esmalt meelelahutuslik, kuid teisalt ka lihastele ja liigestele kasulik.

Vaata ka[muuda | redigeeri lähteteksti]

Viited[muuda | redigeeri lähteteksti]

  1. "Gyroscope" by Sándor Kabai, Wolfram Demonstrations Project.
  2. Discover magazine 20 things you didn't know about tunnels (Number 8).
  3. Johann G. F. Bohnenberger (1817) "Beschreibung einer Maschine zur Erläuterung der Gesetze der Umdrehung der Erde um ihre Axe, und der Veränderung der Lage der letzteren" (Description of a machine for the explanation of the laws of rotation of the Earth around its axis, and of the change of the orientation of the latter), Tübinger Blätter für Naturwissenschaften und Arzneikunde, vol. 3, pages 72–83.
  4. The French mathematician Poisson mentions Bohnenberger's machine as early as 1813: Simeon-Denis Poisson (1813) "Mémoire sur un cas particulier du mouvement de rotation des corps pesans" [Memoir on a special case of rotational movement of massive bodies], Journal de l'École Polytechnique, vol. 9, pages 247–262. Available on-line at: http://www.ion.org/museum/files/File_2.pdf .
  5. Walter R. Johnson (January 1832). "Description of an apparatus called the rotascope for exhibiting several phenomena and illustrating certain laws of rotary motion", The American Journal of Science and Art, 1st series, vol. 21, no. 2, pages 265–280.
  6. Drawings of Walter R. Johnson's gyroscope ("rotascope") were used to illustrate phenomena in the following lecture: E.S. Snell (1856) "On planetary disturbances," Board of Regents, Tenth Annual Report of the Board of Regents of the Smithsonian Institution.... (Washington, D.C.: Cornelius Wendell, 1856), pages 175–190.
  7. L. Foucault (1852) "Sur les phénomènes d’orientation des corps tournants entraînés par un axe fixe à la surface de la terre — Nouveaux signes sensibles du mouvement diurne" (On the phenomena of the orientation of rotating bodies carried along by an axis fixed to the surface of the earth — New perceptible signs of the daily movement), Comptes rendus hebdomadaires des séances de l’Académie des Sciences (Paris), vol. 35, pages 424–427. Available on-line (in French): http://gallica.bnf.fr/ark:/12148/bpt6k2992n/f428.image .
  8. Circa 1852, Friedrich Fessel, a German mechanic and former secondary school teacher, independently developed a gyroscope. See: (1) Julius Plücker (September 1853) "Über die Fessel'sche rotationsmachine", Annalen der Physik, vol. 166, no. 9, pages 174–177; (2) Julius Plücker (October 1853) "Noch ein wort über die Fessel'sche rotationsmachine", Annalen der Physik, vol. 166, no. 10, pages 348–351; (3) Charles Wheatstone (1864) "On Fessel's gyroscope", Proceedings of the Royal Society of London, vol. 7, pages 43–48.
  9. L. Foucault (1852) Comptes rendus..., vol. 35, page 427.

Välislingid[muuda | redigeeri lähteteksti]