De gyroscoop kan een verbijsterend object zijn omdat het op bijzondere manieren beweegt en zelfs de zwaartekracht lijkt te trotseren. Deze bijzondere eigenschappen zijn de reden dat gyroscopen in allerlei machines terug te vinden zijn, waaronder de fiets en het geavanceerde navigatiesysteem van de space shuttle.

Een typisch vliegtuig gebruikt ongeveer een dozijn gyroscopen in alles, van zijn kompas tot zijn automatische piloot. Het Russische Mir-ruimtestation gebruikte bijvoorbeeld elf gyroscopen om de oriëntatie op de zon te behouden, en de Hubble-ruimtetelescoop beschikt ook over een reeks navigatiegyro's. Gyroscopische effecten staan ​​ook centraal bij speelgoed als jojo's en frisbees.

Laten we dit apparaat eens nader bekijken om beter te begrijpen waarom het zo nuttig en veelzijdig is in een groot aantal technologische toepassingen.

1. Wat is een gyroscoop?
2. Soorten gyroscopen
3. Precessie
4. De oorzaak van precessie
5. Gyroscoopgebruik

Wat is een gyroscoop?

Een gyroscoop is een mechanisch of elektronisch apparaat dat gebruik maakt van het principe van impulsmoment om de oriëntatie ten opzichte van de aardas te behouden of om veranderingen in de oriëntatie te weerstaan. Een gyroscoop bestaat doorgaans uit een draaiende rotor, die voor een impulsmoment zorgt, en een set cardanische ophangingen of draaibare steunen.

Elke gyroscoop is gebouwd rond een of meer assen, die als fundamenteel element dienen in de constructie van het apparaat. De draai-as is vaak uitgelijnd met de Z-as, waardoor de gyroscopische rotor vrij kan draaien, cruciaal voor de werking van het apparaat. De behuizing of het frame biedt samen met de lagers structurele ondersteuning en beschermt de interne componenten.

Terwijl gyroscopen met één as slechts één primaire rotatie-as hebben, zijn andere, zoals gyroscopen met drie assen, ontworpen om bewegings- en oriëntatieveranderingen langs alle drie de ruimtelijke assen te meten:X, Y en Z. Het specifieke aantal en de oriëntatie van deze assen kan variëren afhankelijk van het ontwerp van de gyroscoop en de beoogde toepassing.

Denk aan een gyroscoop met één as, als een wip die alleen heen en weer beweegt. Het kan slechts beweging in één richting meten of erop reageren. Aan de andere kant is een gyroscoop met drie assen als een tol die je in elke richting kunt bewegen:vooruit en achteruit (X-as), van links naar rechts (Y-as) en zelfs in een draaiende beweging als een tol ( Z-as).

Gyroscopische stabiliteit

Nu vraag je je misschien af ​​wat dit apparaat met de aarde en haar as te maken heeft. Het verband tussen beide kan worden gevonden in het concept van gyroscopische stabiliteit. De planeet fungeert als een kolossale gyroscoop omdat hij om zijn as draait. Deze rotatie geeft de aarde een eigenschap die bekend staat als impulsmoment, wat betekent dat de aarde in dezelfde richting wil blijven draaien.

Gyroscopen daarentegen zijn apparaten die zijn ontworpen om hun oriëntatie in de ruimte te behouden door gebruik te maken van de principes van rotatiebeweging (ook wel rotatiebeweging genoemd). Ze hebben een draaiende rotor die veranderingen in de as weerstaat.

Wanneer gyroscopen worden blootgesteld aan externe krachten, vertonen ze een gedrag dat precessie wordt genoemd, waarbij hun as geleidelijk van richting verandert in plaats van onmiddellijk te kantelen. (We zullen dit gedrag straks nader bekijken.)

Gyroscopen bootsen in wezen de stabiliteit van de aarde na in haar rotatie. Daarom kunnen ingenieurs en wetenschappers deze apparaten gebruiken om nauwkeurige en stabiele bewegingen of oriëntatie te bereiken in alles, van navigatiesystemen tot ruimtevaartuigen.

Soorten gyroscopen

Er is maar één aarde – tenzij je in een multiversum uit een stripboek leeft – maar er zijn veel soorten gyroscopen, elk afgestemd op specifieke toepassingen:

1. Mechanische gyroscoop :Een traditioneel ontwerp met draaiende massa's voor stabiliteit, gebruikt in navigatie- en stabilisatiesystemen.
2. Gyroscoop met glasvezel (FOG) :Maakt gebruik van de interferentie van lichtgolven in optische vezels om rotatie te detecteren, zoals wordt aangetroffen in de lucht- en ruimtevaart en de navigatie.
3. Ringlasergyroscoop (RLG) :Vertrouwt op interferentie van laserlicht in een gesloten lus en biedt een hoge nauwkeurigheid voor navigatie in vliegtuigen en onderzeeërs.
4. Coriolis trilgyroscoop :Gebruikt het Coriolis-effect in trillende structuren om de hoeksnelheid te meten, wat veel voorkomt in navigatiesystemen, robotica en consumentenelektronica.

Precessie

Als je ooit met speelgoedgyroscopen hebt gespeeld, weet je dat ze allerlei interessante trucs kunnen uitvoeren. Ze kunnen balanceren op een touwtje of een vinger en op zeer vreemde manieren weerstand bieden aan beweging rond de draai-as, maar het meest interessante effect wordt gyroscopische precessie genoemd. Dit is het zwaartekracht tartende deel van een gyroscoop. Deze video van 30 seconden laat je de effecten van precessie zien, waarbij een fietswiel als gyroscoop wordt gebruikt.

Het meest verbazingwekkende deel van de video is misschien wel het deel waar het gyroscopische fietswiel als volgt in de lucht kan hangen:

Hoe kan dat?

Dit mysterieuze effect is precessie.

Over het algemeen werkt precessie als volgt:als je een draaiende gyroscoop hebt en de oriëntatie van de draai-as probeert te veranderen, zal het apparaat reageren door de oriëntatie te veranderen langs een andere as die loodrecht (loodrecht) staat op de as van je draai-as. uitgeoefende kracht.

Dus waarom vindt precessie plaats?

Kijk naar de illustratie van drie draaiende wielen:

• In figuur 1 draait de gyroscoop om zijn as.
• In figuur 2 wordt een kracht uitgeoefend om te proberen de rotatie-as te draaien.
• In figuur 3 reageert de gyroscoop op de invoerkracht langs een as loodrecht op de invoerkracht.

De oorzaak van precessie

Waarom vertoont een gyroscoop dit gedrag? Het lijkt volkomen onzinnig dat de as van het fietswiel zo in de lucht kan hangen.

Als je echter bedenkt wat er feitelijk gebeurt met de verschillende delen van de gyroscoop terwijl deze draait, kun je zien dat dit gedrag volkomen normaal is.

Laten we eens kijken naar twee kleine delen van de gyroscoop terwijl deze roteert (de bovenkant en de onderkant), zoals dit:

• Wanneer er kracht op de as wordt uitgeoefend, probeert het gedeelte aan de bovenkant van de gyroscoop naar links te bewegen, en het gedeelte aan de onderkant probeert naar rechts te bewegen, zoals weergegeven.
• Als de gyroscoop niet draait, flopt het wiel, zoals te zien is in de video op de vorige pagina.
• Als de gyroscoop draait, denk dan eens na over wat er met deze twee delen van de gyroscoop gebeurt:de eerste bewegingswet van Newton stelt dat een lichaam in beweging met een constante snelheid langs een rechte lijn blijft bewegen, tenzij er een onevenwichtige kracht op inwerkt .

Het bovenste punt van de gyroscoop wordt dus beïnvloed door de kracht die op de as wordt uitgeoefend en begint naar links te bewegen. Hij blijft proberen naar links te bewegen vanwege de eerste bewegingswet van Newton, maar door het draaien van de gyro draait hij.

Dit effect is de oorzaak van precessie. De verschillende delen van de gyroscoop ontvangen op een bepaald punt krachten, maar draaien vervolgens naar nieuwe posities! Wanneer het gedeelte bovenaan de gyro 90 graden naar de zijkant draait, blijft hij naar links bewegen.

Hetzelfde geldt voor het gedeelte onderaan:het draait 90 graden naar de zijkant en blijft in zijn wens om naar rechts te bewegen. Deze krachten roteren het wiel in de precessierichting.

Terwijl de geïdentificeerde punten nog eens 90 graden blijven draaien, worden hun oorspronkelijke bewegingen tenietgedaan. De as van de gyroscoop hangt dus in de lucht en preceseert. Als je het op deze manier bekijkt, kun je zien dat precessie helemaal niet mysterieus is; het komt volledig overeen met de wetten van de natuurkunde.

Gyroscoop gebruikt

Het effect van dit alles is dat, zodra je een gyroscoop draait, de as ervan in dezelfde richting wil blijven wijzen. Als je de gyroscoop in een set cardanische ophangingen monteert, zodat hij in dezelfde richting kan blijven wijzen, gebeurt dat ook. Dit is de basis van het gyrokompas.

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

In een INS detecteren sensoren op de assen van de cardanische ophanging wanneer het platform draait. De INS gebruikt deze signalen om de rotaties van het voertuig ten opzichte van het platform te begrijpen. Als je een set van drie gevoelige versnellingsmeters aan het platform toevoegt, kun je precies zien waar het voertuig heen gaat en hoe de beweging in alle drie de richtingen verandert.

Met deze informatie kan de automatische piloot van een vliegtuig het vliegtuig op koers houden, en kan het geleidingssysteem van een raket de raket in een gewenste baan sturen.

Dat is interessant

Het baanbrekende werk van Léon Foucault met de gyroscoop in de 19e eeuw bracht een revolutie teweeg in ons begrip van de rotatie van de aarde. Foucault hing een grote gyroscoop aan een dunne draad, wat de opmerkelijke eigenschap aantoont dat hij zijn rotatie-as behoudt ondanks de beweging van de aarde. Terwijl de aarde eronder draaide, veranderde de as van de gyroscoop langzaam van richting, wat een tastbaar bewijs vormde van de rotatie van de aarde. Deze Foucault-slinger werd een iconische wetenschappelijke demonstratie, die de wisselwerking tussen natuurkunde en astronomie benadrukte.

Dit artikel is bijgewerkt in combinatie met AI-technologie, vervolgens op feiten gecontroleerd en bewerkt door een HowStuffWorks-editor.

Veelgestelde vragen over gyroscopen

Waar wordt een gyroscoop voor gebruikt?

Gyroscopen worden onder meer ingebouwd in kompassen op schepen en vliegtuigen, in het stuurmechanisme van torpedo's en in de geleidingssystemen die worden geïnstalleerd in ballistische raketten en in een baan om de aarde draaiende satellieten.

Waarom trotseren gyroscopen de zwaartekracht?

Het lijkt misschien alsof ze de zwaartekracht trotseren, maar dat is niet zo. Dat effect is te wijten aan het behoud van impulsmoment.

Wat is het gyroscopisch effect?

Dit effect verwijst naar de manier waarop een roterend object de rotatieas wil behouden.

Veel meer informatie

Gerelateerde HowStuffWorks-artikelen

• Hoe jojo's werken
• Hoe boemerangs werken
• Hoe Segways werken
• Hoe onderzeeërs werken
• Hoe Space Shuttles werken

Meer geweldige links

• Beweging
• NASA:begeleiding, navigatie en controle
• Begeleidings- en controlesystemen
• Anomale gewichtsmetingen van een speelgoedgyroscoop
• Micro-gefreesde roterende gyroscoop
• Navigatiesystemen:Gyrokompas
• De gyroscoop gedemystificeerd - hoe het werkt