ژیروسکوپ

وقتي كه كسي دوچرخه سواري را ياد مي گيرد، بي آن كه خود متوجه باشد از خاصيت ژيروسكوپ استفاده مي كند. همين طور وقتي كه شما در بازي فوتبال، توپ را به گردش در مي آوريد باز اين كار شما به ژيروسكوپ مربوط مي شود.

در جهان دانش، ژيروسكوپ به منزله قلب است كه در بسياري از دستگاه ها و ابزارهاي نيرومند، كار گذاشته شده است. مثلاً به كمك آن حتي كشتي هاي غول پيكر و هواپيماها نيز به حركت درمي آيند با اين همه، ژيروسكوپ به قدري ساده است كه دوچرخه و حتي فرفره و برخي ديگر از اسباب بازي هاي كودكان نيز بر اساس آن درست شده اند.

وقتي جسم گرداني (مثلاً توپ) را به حال خود رها كنيم، پيوسته در فضا، گِردِ محـور ثابتـي خواهد چرخيد. يعني آن كه شما مي توانيد يك خط موهوم را فرض كنيد كه از مركز آن «جسم گردان» گذشته، دايماً در جهت معيني به گردش خود ادامه مي دهد. اين حركت به خودي خود آن قدر ادامه مي يابد تا لحظه اي كه چيزي از خارج بيايد و جلوي آن را بگيرد. براي مثال، توپي كه بر محور معيني چرخش خود را آغاز كرده، بر همان محور ثابت مي ماند. مگر آن كه بادي تند بوزد و يا ضربه‌ مشتي بر آن وارد شود كه در اين صورت به مسير ديگري در خواهـد افتاد.
-یک مثال دیگر:
فرفره كوچكي رابچرخانيد فرفره حول محورش و روي نوك تيزخود شروع به چرخش مي كند.بدون چرخش فرفره امكان ايستادن فرفره روي نوكش وجود ندارد.اين توضيح ساده مبناي كاركرد ژيروسكوپ هاي مكانيكي مي باشد و از اين منظر زمين يك ژيروسكوپ بزرگ است كه به علت دوران محور خود رادر فضا ثابت نگه مي دارد.
حركت كره زمين نيز مثال ديگري است براي ژيروسكوپ.

زمين مانند فرفره بسيار بزرگي است كه محور آن از قطب شمال به قطب جنوب امتداد يافته است. جهت اين محور هميشه ، چه در شب و چه در روز و در طول همه ايام سال ، و همه سال ها ، به سوي ستاره قطبي
وقتي كه كسي دوچرخه سواري را ياد مي گيرد، بي آن كه خود متوجه باشد از خاصيت ژيروسكوپ استفاده مي كند. همين طور وقتي كه شما در بازي فوتبال، توپ را به گردش در مي آوريد باز اين كار شما به ژيروسكوپ مربوط مي شود.

در جهان دانش، ژيروسكوپ به منزله قلب است كه در بسياري از دستگاه ها و ابزارهاي نيرومند، كار گذاشته شده است. مثلاً به كمك آن حتي كشتي هاي غول پيكر و هواپيماها نيز به حركت درمي آيند با اين همه، ژيروسكوپ به قدري ساده است كه دوچرخه و حتي فرفره و برخي ديگر از اسباب بازي هاي كودكان نيز بر اساس آن درست شده اند.

وقتي جسم گرداني (مثلاً توپ) را به حال خود رها كنيم، پيوسته در فضا، گِردِ محـور ثابتـي خواهد چرخيد. يعني آن كه شما مي توانيد يك خط موهوم را فرض كنيد كه از مركز آن «جسم گردان» گذشته، دايماً در جهت معيني به گردش خود ادامه مي دهد. اين حركت به خودي خود آن قدر ادامه مي يابد تا لحظه اي كه چيزي از خارج بيايد و جلوي آن را بگيرد. براي مثال، توپي كه بر محور معيني چرخش خود را آغاز كرده، بر همان محور ثابت مي ماند. مگر آن كه بادي تند بوزد و يا ضربه‌ مشتي بر آن وارد شود كه در اين صورت به مسير ديگري در خواهـد افتاد.

-یک مثال دیگر:
فرفره كوچكي رابچرخانيد فرفره حول محورش و روي نوك تيزخود شروع به چرخش مي كند.بدون چرخش فرفره امكان ايستادن فرفره روي نوكش وجود ندارد.اين توضيح ساده مبناي كاركرد ژيروسكوپ هاي مكانيكي مي باشد و از اين منظر زمين يك ژيروسكوپ بزرگ است كه به علت دوران محور خود رادر فضا ثابت نگه مي دارد.
حركت كره زمين نيز مثال ديگري است براي ژيروسكوپ.
زمين مانند فرفره بسيار بزرگي است كه محور آن از قطب شمال به قطب جنوب امتداد يافته است. جهت اين محور هميشه ، چه در شب و چه در روز و در طول همه ايام سال ، و همه سال ها ، به سوي ستاره قطبي میباشد

محور ژيروسكوپ را محور چرخش مي نامند .
مي دانيد وقتي كه بخواهيد محور ژيروسكوپ را تغيير بدهيد يك چيز جالب در آن جا رخ خواهد داد؟ فرض كنيد، محور چرخش افقي است. حالا فشاري بر نوك آن وارد آورده، مي خواهيد محور را به وضـع عمودي در آوريد. اما ناگهان متوجه مي شويد كه حركت آن هرگز طبق انتظار شما تغيير نمي يابد، بلكه نسبت به نيروي حاصل از فشار عمودي شما پيوسته در زاويه هاي قائمه اي به حركت خود ادامه مي دهد. پس مي بينيم كه محور، همچنان به طور افقي حركت مي كند. به همين دليل است كه دوچرخه سوار وقتي كه حس مي كند دارد به طرف راست مي افتد چرخ را اندكي به همان طرف راست متمايل مي گرداند. در اين طرف صورت، چرخ متحرك دوچرخه بر بدنه آن، نيرويي به صورت زاويه قائمه، وارد مي آورد. آن گاه به جاي آن كه دوچرخه سوار به سمت راست فرو افتد حركت خود را به پيش ادامه مي دهد و در ضمن چرخ هم راست مي شود.

با كنترل اين نيروهاست كه دانشمندان توانسته اند به كمك «ژيروسكوپ» اژدرافكن و دستگاه هاي بمب افكن خودكار را به كار اندازند. در يك هواي طوفاني، ژيروسكوپ تنها دستگاهي است كه هواپيما را به حالت ثابت نگه مي دارد. پس ژيروسكوپ در هوانوردي نيز ارزش بسيار دارد.
همين گونه اگر مي بينيد كه كشتي در درياي پرتلاطم واژگون نمي شود باز اين فايده‌ ژيروسكوپ هاي بزرگ و نيرومندي است كه در زير بدنه كشتي نصب شده اند و امواج شديد و پياپي دريا را خنثي مي كنند.

دلیل چیست؟
طبق اصل بقاي اندازه حركت زاويه اي هر جسم متقارن در حال چرخش سعي دارد جهت خود را همواره حفظ كند از اينرو اگر يك جسم متقارن رابا دور بالا بچرخانيم واطراف انرا با ياتاقان و بلبرينگ ازاد بگذاريم كه نيروهاي خارجي بر ان اعمال نشود با چرخش قابي كه جسم درون ان دوران مي كند جهت چرخش جسم دوار تغيير نمي كند. بنا براين ميتوانيم با كمك اين وسيله در اجسام متحرك جهت ثابتي داشته باشيم كه وضعيت فعلي خود را در هر لحظه با ان مقايسه نماييم و لذا موقعيت زاويه اي و بامحاسبه سرعت تغييرسرعت زاويه اي را بدست اوريم.

عضو اصلي ژيروسكوپ هاي مكانيكي يك دستگاه دوار يا روتور است كه معمولا با سرعت زيادحول محور تقارن خود دوران مي كند اين سرعت از ۳۰۰۰ تا ۳۰۰۰۰۰ دور در دقيقه ميباشد لذا در اثر اينرسي جرم دوار اندازه حركت نسبتا بزرگي ايجاد مي شود.اگر ياتاقان بندي محور چرخش را در طوقه اي معلق تعبيه كنيم به نحوي كه گشتاور خارجي به ان وارد نشود با تمام وجود حركت هاي قاب محور چرخش روتور همواره به جهت ثابتي اشاره مي كند و موقعي تخود را در فضا حفظ ميكند.با اين روش مي توان جهت ويا محور هاي ثابتي را براي وسيله نقليه تعريف كرد كه هر گونه حركت زاويه اي نسبت به اين محورها سنجيده شود.
متحرک روتور

متحرک روتور

– انواع متحرک های روتور:
۱)موتور الكتريكي:
در ژيروسكوپ ها معمولا از موتور الكتريكي استفاده مي شود چرا كه نياز به سرعت بسيار بالا در ابعاد كوچك است، معمولا در اين موتور براي ايجاد ممنتوم بيشتر، روتور خارج استاتور قرار مي گيرد.
۲)محرك نخي يا تسمه اي:
در موشكها و مواردي كه در مدت زمان كوتاهي نياز است استفاده مي شود با كشيدن نخ يا تسمه روتور شروع به چرخش مي نمايد، اين محرك در موشكهاي برد كوتاه كاربرد دارد. از محرك نخي در موشك كبري و از محرك تسمه اي در موشك ماليوتكا استفاده مي شود.

۳) گاز تحت فشار:
با دميدن گاز در پرده هاي روتور، روتور با سرعت زيادي به چرخش در مي آيد، در موشك تاو استفاده شده است.
۴)فنر :
از فنر نيز جهت حركت محرك استفاده مي شود، در بعضي از موارد براي رسيدن به سرعت بسيار بالا در زمان كم از تركيب فنر و موتور الكتريكي استفاده مي شود.
۵)چاشنيهاي انفجاري :
از چاشنيهاي انفجاري نيز در داخل روتور استفاده مي شود.

-تاریخچه:
كلمه ژيروسكوپ واژه اي يوناني است كه از دو بخش جايرو به معناي دوران واسكوپ به معناي نشان دادن است.به اين ترتيب معناي تحت الفظي ان دوران نما است كه بيانگر وظيفه ان نيز مي باشد .نخستين پديده ژيرو سكوپي ۱۲۵ سال قبل ازميلاد حضرت مسيح توسط ابرخوس كشف شد.تا زمان نيوتن يعني اواخر قرن هفدهم ميلادي تحول چنداني در اين خصوص صورت نگرفت.اما قرن هيجدهم ميلادي برخي محققين مانند اويلر تحقيقات قابل ملاحظه اي در ديناميك اجسام دوار صورت دادند.در همين قرن در انگلستان درباره ايجاد يك افق مصنوعي براي كشتي ها برسي هايي به عمل امد.به اين منظور از يك قرقره دوار استفاده شد كه يك اينه مسطح عمود بر امتداد محور چرخش ان قرار داشت.

ابرخوس دانشمند یونانی
اواسط قرن نوزدهم فوكو دانشمند فرانسوي براينشان دادن دوران زمين از يك ژيروسكوپ استفاده كرد كه اين كار به علت نداشتن يك موتور الكتريكي مناسب به شكل دقيقي انجام نگرفت.همين دانشمند بود كه براي نخستين باردر سال ۱۸۵۲ ميلادي نام ژيروسكوپ را براي ان برگزيد.در سال ۱۹۰۰ شخصي الماني به نام انشوش كامف تصميم به ساختن زير دريايي براي كاوش در قطب شمال گرفت.اما وسايل دقيق براي اين كار وجود نداشت.به ويژه قطب نماهاي مغناطيسي در محدوده قطب شمال به دليل وجود ميدان هاي مغناطيسي قوي از دقت وعملكرد صحيح مي افتادند.از اين رو تلاش كرد تا قطب نماي ديگري كه مستقل ازخواص مغناطيسي عمل كند بسازد.تلاش وي منجر به ساخت قطب نمايي شد كه بر اساس

خواص ژيروسكوپي كار مي كردو ان را قطب نماي ژيروسكوپي نام نهادند.اين قطب نما در واقع نخستين وسيله دقيق هدايت و راهيابي استكه بر اساس اصول اينرسي كار مي كرد.پيشرفت صنعت و پديدار شدن وسايل نقليه فضايي لزوم ابداع و هدايت و كنترل دقيق را بيش از پيش اشكار ساخت.به ويژه وقوع جنگ جهاني اول و دوم و توليد نسل هاي جديد انواع هواپيماها و موشك ها دانشمندان و محققين را به نحو بارزي بر ان داشت تا در زمينه ابداع وسايل نقليه دقيقترو با كيفيت بالاتر تلاش بيشتري صورت دهند.

قدم اساسي در اين زمينه طي جنگ جهاني دوم در دانشگاه ام.اي.تي امريكا برداشته شد كه تحت سرپرستي شخصي به نام چارلز دراپرژيروسكوپ هايي دقيق و كوچك براي نصب روي هواپيما ساخته شدكه به خاطر همين تلاش هايش اورااقاي جايرو لقب نهادند.پس از جنگ جهاني دوم روش هدايت وناوبري اينرسي به عنوان روشي دقيق و قابل اعتماد براي هدايت وسايل فضايي ساخته شد.نخستين سامانه هدايت كه به طور كامل بر مبناي اصول اينرسي توسط ژيروسكوپ ها و شتاب سنج ها عمل مي كردو در ان از ياتاقان هاي گازي براي تعليق طوقه ها استفاده شده بود درسال ۱۹۵۰ مورد ازمايش پروازي قرار گرفت.

امروزه نيز سامانه هدايت اينرسي به عنوان يكي از مهمترين روش هابراي هدايت و كنترل در امر هوانوردي و فضانوردي و همچنين هدايت موشك ها كشتي ها و زير دريايي ها به طور گسترده مورد استفاده قرار داردو به اين امر انواع مختلفي از ژيروسكوپ ها و شتاب سنج ها اختراع شده اندكه به اختصار انواع انها را توضيح خواهيم داد.
– انواع حركتهاي متحرك در فضا:
هر متحرك در فضا ۶ درجه آزادي دارد كه ۳ حركت خطي و ۳ حركت دوراني است براي مشخص نمودن حركت دوراني متحرك در فضا از ۳ محور عمود بر هم استفاده مي شود كه عبارتند از: محور رول يا محور طول، محور پيچ يا محور عرضي و محور ياو.
– محور رول:
محور طولي يا محور جلو – عقب را محور رول مي نامند و حركت رول يعني دوران متحرك حول محورطولي خودش.
– محور پيچ:
محور عرضي يا جنبي را محور پيچ گويند. و حركت پيچ دوران متحرك حول محور عرضي خودش است كه محوري افقي است و عمود بر محور طولي مي باشد.
– محور ياو:
محور عمود بر دو محور ياو و پيچ است و دوران متحرك حول اين محور قائم را دوران ياو گويند.

صفحه YZصفحه ZX صفحه XY
it rollsit pitchesit yaws حرکت
the bank attitudethe pitch attitudethe heading زاویه

به دليل دقت و حساسيت كار معمولا از ژيروسكوپ با ۳ درجه آزادي استفاده نمي شود از ۳ ژيروسكوپ بايك درجه ازادي يا ۲ ژيروسكوپ ۲ درجه ازادي استفاده مي شود.

-ساختمان اساسي انواع ژيروسكوپ:
ژيرو سكوپ ها از نظر ساختمان به دو دسته “يك درجه ازادي”و “دو درجه ازادي” تقسيم مي شوند كه در اين تقسيم بندي ها توانايي حركت روتور نسبت به بدنه يا چارچوب ژيروسكوپ مورد نظر است.
اگرروتورعلاوه برحركت دوراني خود حول محور چرخش بتواند حول يك محور ديگر دوران كند به ان ژيروسكوپ يك درجه ازادي مي گويند وچنانچه بتوتند حول دو محور ديگر دوران كند به ان ژيروسكوپ دو درجه ازادي اطلاق مي شود.