مجموعه ژیروسکوپ

ژیروسکوپ چرخ چرخنده و پُرسرعتی است که وزن آن بر محور حلقهٔ بیرونی متمرکز است و می‌تواند آزادانه عمود بر صفحهٔ دَوَران در یک یا چند راستا بچرخد.

چرخش‌نما وسیله‌ای برای اندازه‌گیری یا حفظ جهت می‌باشد که از اصل بقای تکانهٔ زاویه‌ای استفاده می‌کند. یک چرخش‌نمای مکانیکی همیشه یک چرخ یا دیسک چرخنده با محور آزاد دارد که می‌تواند در هر جهتی قرار گیرد. رفتار یک چرخش‌نمای مکانیکی نشان دهندهٔ پایستگی ویژگی‌های تکانهٔ زاویه‌ای (مقدار انرژی جنبشی و جهت آن به عنوان یک مقدار برداری) است. تغییر این جهت‌گیری بر اثر گشتاور خارجی بسیار ناچیز است. این به دلیل همان زاویه‌ای بزرگ خود به همراه نرخ زیاد چرخش آن است. چون گشتاور خارجی توسط نگاه داشتن وسیله در یک حلقه کمینه می‌شود جهت آن تقریباً ثابت می‌ماند، صرف نظر از اینکه سطحی که وسیله روی آن قرار گرفته چقدر حرکت می‌کند. چرخش‌نماهای با فناوری حالت جامد هم وجود دارند مانند ژیروسکوپ‌های حلقهٔ لیزری، ژیروسکوپ‌های فیبر نوری و پیزوالکتریک.

کاربردهای چرخش‌نما شامل هدایت، زمانی که قطب‌های مغناطیسی کار نمی‌کنند (مانند موقعیت تلسکوپ هابل) یا به اندازهٔ کافی دقیق نیستند (مثل ICBM) یا برای پایدارسازی ماشین‌های پرنده مثل هلیکوپترهای هدایت شونده از راه دور یا پَهپادها می‌باشد. به دلیل دقت بالاتر، ژیروسکوپ‌ها همچنین در حفظ جهت در معدن کاری تونل‌ها هم به کار می‌روند. در تلفن‌های همراه نیز ژیروسکوپ کاربرد دارد وتحت عنوان چرخش خودکارصفحه (screen rotation) می‌توان آن را فعال کرد.

حسگر چرخش‌نما در تلفن‌های همراه را ممکن است با حسگر شتاب‌سنج یکسان بدانید اما در حقیقت کار این دو با هم تفاوت دارد. حسگر شتاب سنج ماهیت الکتریکی دارد اما حسگر چرخش‌نما بر پایه مکانیک است. این حسگر به وسیلهٔ چرخش دو حلقه و چگونگی قرارگیری و حرکت آن‌ها قابلیت تشخیص چرخش را ایجاد می‌کند.

ژیروسکوپ (Gyroscope)  برای اندازه‌گیری یا حفظ وضعیت زاویه (Orientation) مورد استفاده قرار می‌گیرد. ساختار یک ژیروسکوپ معمولا شامل موارد زیر است:

• حلقه خارجی (Frame)
• حلقه داخلی (Gimbal)
• روتور (Rotor)

تاریخچه استفاده از ژیروسکوپ

اولین ژیروسکوپ شناخته شده توسط یک آلمانی به نام یوهان بوهننبرگر که اولین بار در سال ۱۸۱۷ درباره‌اش نوشت ساخته شده‌ است. ژیروسکوپ بوهننبرگر بر اساس یک کرهٔ بزرگ چرخنده ساخته شد. در سال ۱۸۳۲ والتر جانسون آمریکایی ژیروسکوپی ساخت که براساس دیسک چرخنده کار می‌کرد. ریاضیدان فرانسوی پیر لاپلاس زمانی که در دانشگاه اکول پلی‌تکنیک کار می‌کرد این ماشین را به عنوان ابزار کمک آموزشی پیشنهاد کرد. 

در فیزیک، تکانهٔ زاویه‌ای یا تکانهٔ دورانی ( Angular momentum) (در فارسی به آن گشتاور دورانی یا گشتاور زاویه‌ای نیز گفته می‌شود) کمیتی برداری است که برای بیان وضعیت حرکتی سیستم‌های در حال حرکت دورانی مورد استفاده قرار می‌گیرد. با این که سرعت زاویه‌ای مرسوم‌ترین کمیت برای بیان وضعیت حرکتی جسم در حال دوران است، اما تکانهٔ زاویه‌ای نسبت به آن اطلاعات بیشتری را دربردارد. تکانهٔ زاویه‌ای یک سیستم به سرعت زاویه‌ای، جرم و نحوهٔ توزیع جرم سیستم حول محور دوران یا مرکز دوران وابسته است. تکانهٔ زاویه‌ای همواره نسبت به یک چارچوب مرجع سنجیده می‌شود.

اگر سامانه شامل بیش از یک ذره باشد، تکانهٔ زاویه‌ای آن حول یک نقطه را می‌توان با جمع بستن تکانهٔ زاویه‌ای تک تک ذرات تشکیل دهندهٔ سامانه حول همان نقطه به دست آورد. به فرض آن که سامانه دارای N ذره باشد، داریم:

که در آن، r اندیس iها مکان ذره iام نسبت به نقطه مرجع و m اندیس iها جرم ذره و v اندیس iها سرعت آن است.

برگرفته از: اینجا و اینجا

لختی/اینرسی دورانی یا «ممان اینرسی» (Moment of Inertia)، توانایی جسم برای مقاومت در برابر شتاب زاویه‌ای است. این کمیت اسکالر، از مجموع حاصل‌ضرب‌های جرم هر ذره در توان دوم فاصله آن ذره تا محور دوران به دست می‌آید. ممان اینرسی، با عنوان گشتاور دوم جرم نیز شناخته می‌شود.

ممان اینرسی، به ما نشان می‌دهد که برای رسیدن به یک شتاب زاویه‌ای مشخص، به چه مقدار گشتاور یا نیروی دورانی نیاز داریم. با ضرب این کمیت در شتاب زاویه‌ای، گشتاور یا نیروی مورد نیاز به دست می‌آید. هر چه ممان اینرسی بیشتر باشد، گشتاور مورد نیاز نیز بیشتر خواهد بود. طراحان با محاسبه دقیق این پارامتر می‌توانند بین ابعاد، وزن و کارایی سازه، تعادل خوبی را برقرار کنند.

حلقه نازک تاب با شعاع r و جرم m حالت خاصی از چنبره و یا استوانه‌ای توخالی با دیواره‌ای ضخیم است که اینرسی دورانی آن از رابطه پایین به‌دست میآید:

 برگرفته از: اینجا و اینجا