Żyroskop

Żyroskop jest urządzeniem służącym do pomiaru bądź utrzymywania położenia kątowego i działa na podstawie zasady zachowania pędu. Został wynaleziony przez francuskiego fizyka Jeana Foucaulta w 1852 roku. Dzisiaj pochylimy się nad tym, jak działa żyroskop oraz gdzie jest stosowany.

Jak działa Żyroskop?

Żyroskopem określa się również przyrząd demonstrujący efekty żyroskopowe. Jest to krążek, który po wprawieniu w szybki ruch obrotowy zachowuje swoje pierwotne położenie osi obrotu. Występują jedynie niewielkie ruchy precesyjne, które są uwzględniane w określaniu kierunku bądź eliminowane poprzez tłumienie. Do prawidłowej pracy żyroskopu niezbędna jest wysoka prędkość obrotowa oraz małe tarcie w jego łożyskach. Taki efekt można uzyskać dzięki łożyskowaniu żyroskopu na strumieniu sprężonego powietrza bądź zawieszając go w polu magnetycznym czy też elektrostatycznym w próżni. Przykładowo dla rozwiązań technicznych żyroskop o prędkości 24 tys. obr./min wskazuje stały kierunek w przestrzeni z błędem o wartości 1° na 14 miesięcy, czyli nie większym niż 0,0001°/h.

Żyroskop kierunkowy jest urządzeniem, które umożliwia obserwację obrotu ciał, do którego jest przymocowany. Jest on najczęściej wykonany pod postacią szybko wirującego sztywnego obiektu – zazwyczaj dysku zawieszonego w odpowiedniej konstrukcji, która umożliwia jego swobodne obracanie się względem układu odniesienia. Efekt ten można uzyskać dzięki zastosowaniu przegubów z osią obrotu prostopadła do osi obrotu samego dysku żyroskopu. Umożliwia to minimalizację przenoszenia obrotów ciała na żyroskop, dążący do utrzymania swojego pierwotnego położenia w przestrzeni inercjalnej. Żyroskop elektroniczny to nowoczesne rozwiązanie, które pozbawione jest tradycyjnych elementów ruchomych. Na wyjściu podawana jest informacja dotycząca prędkości obrotowej wzdłuż trzech osi. Może on być zbudowany z grupy akcelerometrów, których wskazania przeliczane są na wartości prędkości obrotowej. Bywa wykorzystywany do stabilizacji lotu modeli bądź innych obiektów latających.

Zastosowania żyroskopu

Żyroskop jest bardzo praktycznym przyrządem, który montuje się w żyroteodolicie, służącym do wyznaczania azymutu geograficznego. Wykorzystuje się go również do budowy żyrokompasów. Te zaś znajdują szerokie zastosowanie w urządzeniach, które wskazują wybrany kierunek w nawigacji. Jest on więc montowany na statkach, w śmigłowcach czy samolotach. Przyrząd zbudowany na tej zasadzie określamy żyroskopem, kompasem żyroskopowym lub żyrokompasem. To, w jaki sposób zachowuje się żyroskop, jest bezpośrednim wynikiem zasady zachowania pędu. Wiele obrotowych ciał niebieskich wykazuje własności żyroskopowe. Do tej grupy można zaliczyć liczne ciała niebieskie w tym naszą planetę. Z bardziej codziennych przedmiotów można wyróżnić wirniki maszyn czy pociski karabinowe wystrzelone z gwintowanej broni.

Żyroskopy znajdują szczególne zastosowanie w systemach stabilizacji jednostek pływających. Początkowo kilka ciężkich żyroskopów, obracających się ze znaczną prędkością, było montowanych w kadłubie okrętu. Koła tych żyroskopów często ważyły ponad 100 ton, a wirując powodowały, że statek nie zmieniał swojego położenia i nie kołysał się na falach, co zwiększało komfort podróży. Współcześnie w marynarce montuje się żyroskopy, które rejestrują kołysanie statku. Powoduje to zmianę położenia rotora żyroskopu względem podstawy. Zmiany te są wykrywane przez czujniki, które w konsekwencji wytwarzają sygnały elektryczne sterujące systemem poruszanych hydraulicznie płetw. Działają one podobnie do klap na skrzydłach samolotu, wystając z kadłuba statku powyżej linii wody, dążą do jego przechylenia. System ten jest skonstruowany w taki sposób, że wytwarzane przezeń siły mogą przeciwdziałać siłom przeciwnym, przechylającym okręt, które pochodzą od kołysania statku. System ten jest wysoce efektywny nawet podczas złej pogody i przyczyna się do znaczącego zmniejszenia kołysania okrętu.