Co je to gyroskop?
Gyroskop je přístroj, který slouží k udržení nebo zachování orientace a úhlové rychlosti objektu. K tomu využívá princip zachování orientace hybnostního momentu. Gyroskop, vybavený volně rotujícím diskem, je schopen zaujmout všechny možné orientace a přitom zachovat svou osu otáčení neměnnou.
Když se totiž rotační disk gyroskopu otáčí, osa otáčení přístroje zůstává stabilní, a to i na nakloněném podkladu. Jak disk nabírá rychlost, zvyšuje se také hybnostní moment, čímž se stabilizuje gyroskop i předmět, ve kterém je umístěn.
Pohyb preceze
Pokud by při plné rotaci působila na osu nějaká síla, gyroskop by se dostal do nerovnováhy. Osa se pohybuje pomaleji a sleduje kuželovitý pohyb zvaný precesní pohyb. Gyroskop se nadále otáčí, ale nespadne.
Gyroskop a hybnost
Ve fyzice a klasické mechanice jsou gyroskop a hybnost neoddělitelně spjaty. Zatímco první z nich označuje mechanismus pro měření rotace a úhlové polohy, druhý je vektorová veličina používaná k zachování této rotace. Zde se dozvíte vše, co potřebujete vědět o gyroskopu a hybnosti.
Kinematický moment
Kinematický moment, nazývaný také úhlový moment, je vektorová veličina, která má stejný směr a stejnou orientaci jako úhlová rychlost. Aby to bylo možné, musí být osa otáčení objektu zároveň jeho osou symetrie.
Podle Wikipedie se hybnostní moment od bodu M k bodu O rovná momentu hybnosti vztaženému k bodu O. Pokud se hybnostní moment nemění, osa otáčení zůstává stabilní. Jedná se o zachování hybnostního momentu neboli gyroskopický efekt.
Gyroskopický efekt
Chcete-li tento mechanismus konkrétně pochopit, vezměte si kolo. Držte ho na délku paže za matice náboje. Požádejte někoho, aby kolo rychle roztočil. Pokud se pokusíte naklonit směrem k rotujícímu kolu, pocítíte odpor. Tomuto pohybu brání zachování rotačního momentu. Právě gyroskopický efekt udržuje toto kolo v rovnováze. Je důležité si uvědomit, že gyroskopický efekt se zvyšuje s rychlostí otáčení.
Historie gyroskopu
První tříosý gyroskop vynalezl Léon Foucault v roce 1852. Ten je známý tím, že sestrojil Foucaultovo kyvadlo. Při experimentu týkajícího se rotace Země si Foucault uvědomil, že jeho kyvadlo se otáčí pomaleji než Země. Tento experiment ho vedl k návrhu přístroje schopného udržet rychlou rotaci po dostatečně dlouhou dobu. Spolu se svým spolupracovníkem Formentem vytvořil gyroskop. Zjistil také, že tento nový přístroj je schopen ukazovat sever a vyrovnat se podle poledníku. Nazval jej gyroskopickým kompasem.
Od konce 19. století se objevují první motorizované gyroskopy. Gyrokompasy se nyní používají k určení geografického severu, nikoli magnetického severu. Nahrazují také lodní kompasy. Od 20. století se gyroskopické kompasy používaly ve vojenské výzbroji.
Dnes se gyroskopy používají také k zajištění stability elektronických zařízení. Najdeme je dnes v hodinkách, ale také ve smartphonech, kde mají podobu mikroelektromechanických inerciálních systémů.
Součásti gyroskopu
Mechanický gyroskop se skládá v zásadě z následujících prvků:
- otočný disk uprostřed. Ve středu tohoto disku se nachází těžiště gyroskopu, bez něhož by přístroj nemohl fungovat.
- Osa otáčení, která prochází středem disku a směřuje libovolným směrem.
- Tři kardanové klouby (otočný držák, který umožňuje objektu otáčet se kolem jediné osy), díky nimž je gyroskop tříosý:
- První z nich je upevněn k ose pomocí kuličkových ložisek.
- Druhý je upevněn k vnitřní ose
- Třetí je upevněn k vnějšímu rámu
Využití gyroskopu
Gyroskop se dnes používá v mnoha oblastech mimo fyziku, stejně jako v četných odvětvích (průmysl, letectví, ropný průmysl atd.). Používá se v:
- Navádění torpéd a raket
- Koordinaci nebo signalizaci zatáček v letadle
- Výroba některých antistresových předmětů, jako jsou káči, jo-jo, vortecony nebo spinnery
- Stabilizaci kamery při snímání pohybujícího se objektu
- Stavba motocyklů, jízdních kol nebo dvoukolových vozidel v rovnováze
- Stavba rádiem řízených vrtulníků a mnoho dalšího
Tento přístroj se navíc používá také na vesmírných stanicích, na palubě vesmírného dalekohledu Hubble a v různých dalších oblastech vyhrazených pro odborníky na fyziku.