science >> Wetenschap >  >> anders

Hoe gyroscopen werken

Gyroscopen kunnen zeer verbijsterende objecten zijn omdat ze op eigenaardige manieren bewegen en zelfs de zwaartekracht lijken te trotseren. Deze speciale eigenschappen maken gyroscopen uiterst belangrijk in alles, van uw fiets tot het geavanceerde navigatiesysteem op de spaceshuttle. Een typisch vliegtuig gebruikt ongeveer een dozijn gyroscopen in alles, van het kompas tot de automatische piloot. Het Russische ruimtestation Mir gebruikte 11 gyroscopen om zijn oriëntatie op de zon te behouden, en de Hubble-ruimtetelescoop heeft ook een reeks navigatiegyroscopen. Gyroscopische effecten staan ​​ook centraal bij zaken als jojo's en frisbees!

In deze editie van Hoe dingen werken , we zullen naar gyroscopen kijken om te begrijpen waarom ze zo nuttig zijn op zoveel verschillende plaatsen. Je zult ook de reden achter hun zeer vreemde gedrag gaan zien!

Inhoud
  1. Precessie
  2. De oorzaak van precessie
  3. Gebruik van gyroscopen

Precessie

Klik hier om de 30 seconden durende full-motion video te downloaden die precessie op het werk laat zien. (1,7 MB)

Als je ooit met speelgoedgyroscopen hebt gespeeld, je weet dat ze allerlei interessante trucs kunnen uitvoeren. Ze kunnen balanceren op een touwtje of een vinger; ze kunnen op heel vreemde manieren beweging om de spin-as weerstaan; maar het meest interessante effect heet precessie . Dit is het zwaartekracht tartende deel van een gyroscoop. In de volgende video ziet u de effecten van precessie met een fietswiel als gyro:

Het meest verbazingwekkende deel van de video, en ook het ongelooflijke aan gyroscopen, is het deel waar het gyroscopische fietswiel als volgt in de lucht kan hangen:

Het vermogen van een gyroscoop om "de zwaartekracht te trotseren" is verbijsterend!

Hoe kan het dat doen?

Dit mysterieuze effect is precessie. In het algemene geval, precessie werkt als volgt:als je een draaiende gyroscoop hebt en je probeert zijn rotatie-as te draaien, de gyroscoop zal in plaats daarvan proberen te roteren om een ​​as loodrecht op je krachtas, zoals dit:

In figuur 1 de gyroscoop draait om zijn as. In figuur 2, er wordt een kracht uitgeoefend om te proberen de spin-as te roteren. In figuur 3, de gyroscoop reageert op de invoerkracht langs een as loodrecht op de invoerkracht.

Dus waarom vindt precessie plaats?

De oorzaak van precessie

Als er krachten op de as worden uitgeoefend, de twee geïdentificeerde punten zullen proberen in de aangegeven richtingen te bewegen.

Waarom zou een gyroscoop dit gedrag moeten vertonen? Het lijkt totaal onzinnig dat de as van het fietswiel zo in de lucht kan hangen. Als je nadenkt over wat er feitelijk gebeurt met de verschillende secties van de gyroscoop terwijl deze draait, echter, u kunt zien dat dit gedrag volkomen normaal is!

Laten we eens kijken naar twee kleine delen van de gyroscoop terwijl deze ronddraait -- de boven- en onderkant, zoals dit:

Wanneer de kracht op de as wordt uitgeoefend, het gedeelte bovenaan de gyroscoop zal proberen naar links te bewegen, en het gedeelte aan de onderkant van de gyroscoop zal proberen naar rechts te bewegen, zoals getoond. Als de gyroscoop niet draait, dan klapt het wiel om, zoals getoond in de video op de vorige pagina. Als de gyroscoop draait, denk na over wat er met deze twee delen van de gyroscoop gebeurt: Newtons eerste bewegingswet stelt dat een bewegend lichaam met een constante snelheid langs een rechte lijn blijft bewegen tenzij er een onevenwichtige kracht op inwerkt. Dus het bovenste punt van de gyroscoop wordt beïnvloed door de kracht die op de as wordt uitgeoefend en begint naar links te bewegen. Het blijft proberen naar links te bewegen vanwege de eerste bewegingswet van Newton, maar de draaiende gyro laat hem draaien, zoals dit:

Terwijl de twee punten draaien, ze zetten hun beweging voort.

Dit effect is de oorzaak van precessie. De verschillende secties van de gyroscoop ontvangen op één punt krachten, maar draaien dan naar nieuwe posities! Wanneer het gedeelte aan de bovenkant van de gyro 90 graden naar de zijkant draait, het blijft in zijn verlangen om naar links te gaan. Hetzelfde geldt voor het gedeelte aan de onderkant - het draait 90 graden naar de zijkant en gaat door met zijn wens om naar rechts te gaan. Deze krachten draaien het wiel in de precessierichting. Terwijl de geïdentificeerde punten nog 90 graden blijven draaien, hun oorspronkelijke bewegingen worden geannuleerd. Dus de as van de gyroscoop hangt in de lucht en precest. Als je het op deze manier bekijkt, kun je zien dat precessie helemaal niet mysterieus is -- het is volledig in overeenstemming met de wetten van de fysica!

Gebruik van gyroscopen

Het effect van dit alles is dat, als je eenmaal aan een gyroscoop draait, zijn as wil in dezelfde richting blijven wijzen. Als u de gyroscoop monteert in een set van cardanische ophanging zodat het in dezelfde richting kan blijven wijzen, het zal. Dit is de basis van de gyroscoop .

Als je twee gyroscopen met hun assen haaks op elkaar op een platform monteert, en plaats het platform in een set cardanische ophangingen, het platform blijft volledig stijf omdat de cardanische ophanging op elke gewenste manier kan draaien. Dit is deze basis van traagheidsnavigatiesystemen (INS).

In een IND, sensoren op de cardanische assen detecteren wanneer het platform draait. De INS gebruikt die signalen om de rotaties van het voertuig ten opzichte van het platform te begrijpen. Als u aan het platform een ​​set van drie gevoelige versnellingsmeters , u kunt precies zien waar het voertuig naartoe gaat en hoe zijn beweging in alle drie de richtingen verandert. Met deze informatie, de automatische piloot van een vliegtuig kan het vliegtuig op koers houden, en het geleidingssysteem van een raket kan de raket in een gewenste baan brengen!

Voor meer informatie over gyroscopen en hun toepassingen, bekijk de links op de volgende pagina!

Veelgestelde vragen over gyroscoop

Waar wordt een gyroscoop voor gebruikt?
Gyroscopen zijn ingebouwd in kompassen op schepen en vliegtuigen, het stuurmechanisme in torpedo's, en de geleidingssystemen die onder andere zijn geïnstalleerd in ballistische raketten en in een baan om de aarde draaiende satellieten.
Waarom trotseren gyroscopen de zwaartekracht?
Ze lijken misschien de zwaartekracht te trotseren, maar dat doen ze niet. Dat effect is te wijten aan het behoud van impulsmoment.
Wat is het gyroscopische effect?
Dit effect verwijst naar de manier waarop een roterend object de as van zijn rotatie wil behouden.

Veel meer informatie

Gerelateerde HowStuffWorks-artikelen

  • Hoe kompassen werken
  • Hoe jojo's werken
  • Hoe boemerangs werken
  • Hoe segways werken
  • Hoe onderzeeërs werken
  • Hoe Space Shuttles werken

Meer geweldige links

  • De bewegingswetten - scroll naar beneden naar "Gyroscopen"
  • Beweging - scrol omlaag naar "Fietswielgyroscoop"
  • Hoe een gyroscoop werkt
  • Fietswiel Gyro
  • NASA:begeleiding, Navigatie en bediening - zie "Traagheidsmeeteenheden"
  • Geleidings- en controlesystemen - uitstekende experimenten in het besturen en begeleiden van modelraketten!
  • Afwijkende gewichtsmetingen van een speelgoedgyroscoop
  • Microgefreesde roterende gyroscoop
  • Navigatiesystemen:Gyrokompas
  • De gyroscoop gedemystificeerd - hoe het werkt

Meer >

Meer >

Hoofdlijnen

  1. Fysieke aanpassingen van rondwormen
  2. Eenvoudige manieren om de structuren van de Skull
  3. Voors en tegens van Recombinant DNA Technology
  4. Hoe zijn bacteriën en plantencellen gelijk?
  5. Nieuwe studie toont aan dat cannabis het geheugen van oudere muizen verhoogt
  6. Hoe werkt ureum denaturisch?
  7. De functie van macromoleculen
  8. De verschillen tussen mitochondriën en chloroplasten in structuur
  9. Mitochondria: definitie, structuur en functie (met diagram)

Wetenschap