ژیروسکوپها می توانند اشیای خیلی گیج کننده ای باشند چون آنها به شکلهای عجیبی حرکت می کنند و حتی به نظر می رسد که در برابر گرانش مقاومت می کنند. این ویژه گیهای خاص، ژیروسکوپها را در هر چیزی از دوچرخه هایتان گرفته تا سیستم هدایت کنندۀ پیشرفتۀ شاتلهای فضایی مهم می کنند. یک هواپیمای نوعی حدود یک دو جین ژیروسکوپ در تمامی قسمتهایش از قطبنما گرفته تا سیستم خلبان خودکار دارد. ایستگاه فضایی میر روسیه از 11 ژیروسکوپ برای حفظ موقعیت خود نسبت به خورشید استفاده می کرد و مشابه آن تلسکوپ فضایی هابل هم دارای یک گروه از ژیروسکوپهای هدایت کننده می باشد. اثرهای ژیروسکوپی همچنین در چیزهایی مثل یو یو و فریز بی نقش مهمی دارند.
حرکت تقدیمی
اگر شما تا به حال با ژیروسکوپهای اسباب بازی کار کرده باشید، متوجه شده اید که آنها می توانند تمام انواع حقه های جالب را انجام دهند. آنها می توانند بر روی یک ریسمان یا یک انگشت متعادل بایستند یا می توانند حرکت به دور محور چرخش را به شکل غریبی ادامه دهند، اما جالبترین اثر، حرکت تقدیمی نامیده می شود. این حرکت در ژیروسکوپ در برابر جاذبه مقاومت می کند.
ژیروسکوپ چطور می تواند در برابر جاذبه مقاومت کند؟
این اثر اسرار آمیز حرکت تقدیمی نام دارد. در حالت عمومی حرکت تقدیمی بدین شکل می باشد: اگر شما یک ژیروسکوپ در حال چرخش را داشته باشید و سعی کنید تا محور چرخش آن را بچرخانید، ژیروسکوپ در عوض سعی می کند عمود بر محور نیروی شما بچرخد.
علت حرکت تقدیمی
چرا باید یک ژیروسکوپ این رفتار را از خود نشان دهد؟ این که محور چرخ دوچرخه می تواند در هوا معلق باقی بماند غیر منطقی به نظر می رسد. اما به هر حال اگر شما در مورد اینکه چه چیزی در واقع در حال اتفاق افتادن در قسمتهای مختلف ژیروسکوپ وقتی می چرخد است، فکر کنید شما می توانید بفهمید این رفتارها کاملاً عادی می باشند.
اجازه دهید به دوقسمت کوچک ژیروسکوپ در حالیکه در حال چرخش است نگاه کنیم: بالا و پایین، مثل این:
وقتی نیرو به محور وارد می شود، قسمت بالایی ژیروسکوپ سعی خواهد کرد تا به سمت چپ حرکت کند، و قسمت پایینی ژیروسکوپ سعی می کند به سمت راست حرکت کند، همانطور که در شکل نشان داده شده است. اگر ژیروسکوپ در حال چرخش نباشد چرخ میافتد. اگر ژیروسکوپ در حال چرخش باشد در مورد اینکه چه اتفاقی برای این دو قسمت ژیروسکوپ می افتد فکر کنید: قانون اول نیوتن می گوید یک جسم در حال حرکت، حرکت خود را با سرعت ثابت در مسیر مستقیم ادامه می دهد مگر اینکه نیرویی بر آن وارد شود. بنابراین نقطۀ بالایی بر روی ژیروسکوپ تحت تاثیر نیرویی که بر محور وارد شده قرار می گیرد و شروع می کند به حرکت به سمت چپ. در ادامه باز هم به دلیل قانون اول نیوتن سعی می کند به سمت چپ حرکت کند اما چرخش ژیروسکوپ آن را به شکل زیر منحرف می کند:
این اثر علت حرکت تقدیمی می باشد. قسمتهای مختلف ژیروسکوپ نیروهایی را در یک نقطه دریافت می کنند اما بعد، به محلهای جدیدی می چرخند! وقتی که قسمت بالایی ژیروسکوپ 90 درجه می چرخد، همچنان به حرکت خود به سمت چپ ادامه می دهد. اتفاق مشابهی نیز برای قسمت پایینی رخ می دهد، 90 درجه چرخیده و حرکت خود به سمت راست را همچنان ادامه می دهد. این نیروها چرخ را در جهت حرکت تقدیمی می چرخانند. وقتیکه نقاط مشخصه چرخش خود را 90 درجۀ دیگر ادامه می دهند حرکتهای اولیه آنها حذف می شود. بنابراین محور ژیروسکوپ در هوا آویزان شده و حرکت تقدیمی انجام می دهد. وقتیکه شما اینگونه به به این مسئله نگاه می کنید می توانید ببینید که حرکت تقدیمی اصلاً عجیب نیست و کاملاً از قوانین فیزیک پیروی می کند.
کاربردهای ژیروسکوپ
اثر تمام این چیزها این است که وقتی شما یک ژیروسکوپ را می چرخانید، محور آن مایل است و جهت خود به یک سمت مشخص را حفظ کند. اگر شما ژیروسکوپ را بر روی یک سری از محورها ثابت کنید در اینصورت می تواند محور خود را در یک جهت مشخص نگاه دارد که این اساس قطبنمای ژیروسکوپی است.
اگر شما دو ژیروسکوپ را به صورت عمود بر هم بر روی یک صفحه متصل کنید و صفحه را داخل یک سری از محورها قرار دهید، هنگامیکه محورها به هر طرف دلخواه می چرخند صفحه کاملاً صُلب باقی می ماند. این اساس سیستمهای هدایت کننده لخت (INS) می باشد.
در یک INS، حسگرهایی که بر روی محورها هستند تشخیص می دهند که چه زمانی صفحه می چرخد. INS این سیگنالها را استفاده نموده تا چرخشهای دستگاه نسبت به صفحه را بفهمد. اگر شما به صفحه یک سری شامل سه حسگر شتاب سنج را اضافه کنید، می توانید دقیقاً بگویید که دستگاه به کدام طرف جهت می گیرد و چطور حرکتش به هر سه جهت تغییر می کند. با این اطلاعات یک خلبان خودکار هواپیما می تواند هواپیما را در مسیر نگاه دارد و یک سیستم هدایتگر موشک می تواند موشک را داخل مدار مورد نظر قرار دهد.