ژیروسکوپ Gyroscope چیست؟
ژیروسکوپ (جایرو) ، عضو اصلی سامانه های هدایت اینرسی است که برای اندازه گیری مقدار و سرعت دوران و ایجاد محورهای مختصات مرجع در وسایل نقلیه هوایی ، فضایی و دریایی (مانند هواپیما ، موشک ، ماهواره ، فضا پیما ، کشتی و زیر دریایی ) استفاده می شود . با استفاده از این وسیله می توان جهت یا محورهای ثابتی را برای وسیله نقلیه تعریف کرد که هر گونه حرکت زاویهای وسیله نقلیه نسبت به محورهای آن سنجیده شود . در این مقاله ، ضمن معرفی ژیروسکوپ ، انواع آن مورد بررسی قرار گرفته و به اختصار درباره هر یک توضیحاتی ارایه می شود . <?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />
1- مقدمه
از دوران کودکی به خاطر داریم که وقتی فرفره ی کوچکی را با کمک نیروی انگشتان خود می چرخاندیم ، فرفره حول محورش و روی نوک تیز خود شروع به چرخش می کرد . بدون چرخش فرفره ، امکان ایستادن فرفره روی نوکش وجود نداشت . در واقع چرخش فرفره حول محورش موجب پایداری و حفظ جهت فرفره می شد . این توضیح ساده مبنای کارکرد ژیروسکوپ های مکانیکی می باشد و از این منظر ، زمین نیز یک ژیروسکوپ است که به علت دوران ، محور خود را در فضا ثابت نگه می دارد .
طبق اصل بقای اندازه حرکت زاویه ای ، هر جسم متقارن در حال چرخش سعی دارد جهت خود را همواره در فضا حفظ کند . از این رو اگر یک جسم متقارن را با دور بالا بچرخانیم و اطراف آن را با یاتاقان وبلبرینگ آزاد بگذاریم که نیروهای خارجی بر آن اعمال نشود ، با چرخش قابی که جسم درون آن دوران می کند ، جهت چرخش حسم دوار تغییر نمی کند ، بنابر این می توانیم با کمک این وسیله در اجسام متحرک جهت ثابتی داشته باشیم که وضعیت فعلی خود را در هر لحظه با آن مقایسه نماییم و لذا موقعیت زاویه ای و با محاسبه سرعت تغییر سرعت زاویه ای را به دست آوریم .
عضو اصلی ژیروسکوپ های مکانیکی ، یک دستگاه دوار یا روتور است که معمولاً با سرعت زیاد حول محور تقارن خود دوران می کند این سرعت از 3000 تا 300000 دور در دقیقه می باشد لذا در اثر اینرسی جرم دوار ، اندازه حرکت ممنتوم نسبتا بزرگی ایجاد می شود . اگر یاتاقن بندی محور چرخش را در طوقه ای معلق تعبیه کنیم به نحوی که گشتاور خارجی به آن وارد نشود ، با وجود تمام حرکت های قاب ، محور چرخش روتور همراه به جهت ثابتی اشاره می کند و موقعیت خود را در فضا حفظ می کند. با این روش می توان جهت و یا محورهای ثابتی را برای وسیله نقلیه تعریف کرد که هر گونه حرکت زاویه ای نسبت به این محورها سنجیده می شود .
2- تاریخچه
کلمه ژیروسکوپ واژه یونانی است که از دو بخش جایرو [1]به معنای دوران و اسکوپ [2] به معنای نشان دادن است . به این ترتیب معنای تحت الفظی آن دوران نما است که بیانگر وظیفه آن نیز می باشد . نخستین پدیده ی ژیروسکوپی ، 125 سال قبل از میلاد مسیح توسط ابرخوس [3] کشف شد . تا زمان نیوتن یعنی اواخر قرن هفدهم میلادی ، تحول چندانی در این خصوص صورت نگرفت . اما در قرن هجدهم ، برخی از محققین مانند اولر ، تحقیقات قابل ملاحظه ای در دینامیک اجسام دوار صورت دادند. در همین قرن ، در انگلستاندرباره ایجاد یک افق مصنوعی برای کشتی ها ، بررسی هایی به عمل آمد . به این منظور از یک قرقره دوار استفاده شد که یک آینه مسطح عمود بر امتداد محور چرخش آن قرار داشت . در اواسط قرن نوزدهم ، فوکو[4]، دانشمند
، فرانسوی ، برای نشاندادن دوران زمین از یک ژیروسکوپ استفاده کرد که این کار به علت نداشتن یک موتور الکتریکی مناسب ، به شکل دقیقی انجام نگرفت . همین دانشمند بود که برای نخستین بار در سال 1852 میلادی نام ژیروسکوپ را برای آن برگزید . در سال 1900 شخصی المانی به نام آنشوش کامف [5] تصمیم به ساختن زیر دریایی برای کاوش در قطب شمال گرفت . اما وسایل هدایت و راهیابی دقیق برای این کار وجود نداشت . به ویژه قطب نماهای مغناطیسی در محدوده قطب شمال به دلیل وجود راهیابی دقیق برای این کار وجود نداشت . به ویژه قطب نماهای مغناطیسی در محدوده قطب شمال به دلیل وجود میدان های مغناطیسی قوی ، از دقت و عملکرد صحیح می افتادند . از این رو تلاش کرد تا قطب نمای دیگری که مستقل از خواص مغناطیسی عمل کند – بسازد . تلاش وی منجر به ساخت قطب نمایی شد که بر اساس خواص ژیروسکوپی کار می کرد و آن را قطب نمای ژیروسکوپی نام نهادند . این قطب نما، در واقع نخستین وسیله دقیق هدایت و راهیابی است که بر اساس اصول اینرسی کار می کرد . پیشرفت صنعت و پدیدار شدن وسایل نقلیه فضایی ، لزوم ابداع و هدایت و کنترل دقیق را بیش از پیش آشکار ساخت . به ویژه وقوع جنگ جهانی اول و دوم و تولید نسل های جدید انواع هواپیماها و موشک ها ، دانشمندان و محققین را به نحو بارزی بر آن داشت تا در زمینه ابداع وسایل دقیق تر و با کیفیت بالاتر تلاش بیشتری صورت دهند .
قدم اساسی در این زمینه طی جنگ جهانی دوم در دانشگاه ام . آی . تی امریکا بر داشته شد که تحت سرپرستی شخصی
به نام چارلز دراپر[6] ، ژیروسکوپ هایی دقیق و کوچک برای نصب روی هواپیما ساخته شد که به خاطر همین تلاش هایش او را آقای جایرو لقب نهادند . پس از جنگ جهانی دوم ، روش هدایت و ناوبری اینرسی به عنوان روشی دقی و قابل اعتماد برای هدایت وسایل فضایی ساخته شد . نخستین سامانه هدایت که به طور کامل بر مبنای اصول اینرسی توسط ژیروسکوپ ها و شتاب سنج ها عمل می کرد و در آن از یاتاقان های گازی برای تعلیق طوقه ها استفاده شده بود ، در سال 1950 مورد ازمایش پروازی قرار گرفت . امروزه نیز سامانه هدایت اینرسی ، به عنوان یکی از مهم ترین روش ها برای هدایت و کنترل در امر هوانوردی و فضا نوردی و همچنین هدایت موشک ها و کشتی ها و زیر دریایی ها به طور گسترده مورد استفاده قرار دارد و به تبع این امر ، انواع مختلفی از ژیروسکوپ ها و شتاب سنج ها اختراع شده اند که در این مقاله به آن ها پرداخته خواهد شد .
3- ساختمان اساسی انواع ژیروسکوپ
ژیروسکوپ ها از نظر ساختمان به دو دسته یک درجه آزادی [7] و دو درجه آزادی [8] تقسیم می شوند که در این تقسیم بندی ها ، توانایی حرکت روتور نسبت به چارچوب یا بدنه ژیرسکوپ مورد نظر است . اگر روتور علاوه بر حرکت دورانی خود حول محور چرخش ، بتواند حول یک محور دیگر دوران کند ، به آن ژیروسکوپ یک درجه آزادی می گویند و چنانچه بتواند حول دو محور دیگران دوران کند ، به آن ژیروسکوپ دو درجه آزادی اطلاق می شود . در اینجا به اختصار به معرفی هر یک از این ژیروسکوپ ها می پردازیم
. 3-1- ژیروسکوپ دو درجه آزادی (FIG. 1)
این ژیروسکوپ ، نخستین نوع ژیروسکوپ است و بیش تر در سامانه های کنترل آتش ، وسایل کنترل موقعیت و قطب نماهای ژیروسکوپی از آن استفاده می شود . این نوع ژیروسکوپ را ژیروسکوپ دو محوره یا ژیروسکوپ سه بدنه ای نیز می نامند . این نوع ژیروسکوپ افزون بر محور چرخش روتور دارای دو محور دوران دیگر نیز می باشد که توسط دو عدد طوقه معلق درونی و بیرونی فراهم شده است و در حالت عادی محور چرخش و این دو محور نسبت به هم متعامد هستند. مجموعه طوقه داخل که در واقع تکیه گاه محور چرخش را فراهم می کند محور چرخش و روتور را مجموعه دوار می گویند . تکیه گاه های طوقه داخلی در طوقه خارجی قرار دارد که می تواند در آن دوران کند . طوقه خارجی نیز به نوبه خود ، درون تکیه گاه هایی قرار دارد که در بدنه ژیروسکوپ تعبیه شده و می تواند داخل آنها حرکت دورانی داشته باشد . برای اندازه گیری حرکت های محور چرخش حول دو محور طوقی داخلی و خارجی ، از نوع حس کننده که در امتداد این محورها سوار شده است استفاده می شود . همچنین برای ایجاد حرکت های عمدی و مشخص و اندازه گیری شده محور چرخش حول این دو محور ، از وسایل محرکه مختلفی مانند مولد گشتاور استفاده می شود .
3-2 ژیروسکوپ یک درجه آزادی(FIG. 2)
ژیروسکوپ یک درجه آزادی ، نوع تکمیل شده ژیروسکوپ دو درجه آزادی بوده و پس از آن به وجود آمده است . در این نوع ژیروسکوپ ، سه محودر متعامد مشخص وجود دارد که عبارتند از محور ورودی (که بدنه حول آن دوران می کند ) ، محور خروجی که محور دوران طوقه نسبت به بدنه است و محور چرخش . در ابتدا این سه محور کاملاً بر هم عمودند . روتور این نوع ژیروسکوپ ، به جز حرکت حول محور چرخش ، تنها می تواندحول یک امتداد دیگر یعنی امتداد محور طوقه داخلی ، دوران نماید نسبت به بدنه جایرو ژیروسکوپ یک درجه آزادی را می توان در حالت کلی به سه دسته تقسیم کرد :
ژیروسکوپ های سرعتی [9]:
در این نوع ، عامل بازگرداندن طوقه مجموعه وار به وضعیت اولیه ، یک عنصر الاستیک مانند فنر است و برای
تعیین سرعت زاویه ای وسیله نقلیه ای که ژیروسکوپ روی آن سوار شده به کار می رودو در چنین حالتی ، محور ورودی عمود بر دو محور چرخش و طوقه است .
ژیروسکوپ های انتگرالی[10]:
در این نوع ، عامل اصلی مقاومت در برابر دوران طوقه مجموعه دوار حول محور خودش نسبت به بدنه ژیروسکوپ ، گشتاور ناشی از دمپینگ سیالی با لزجت بالا است و برای اندازه گیری جا به جایی دورانی به کار می رود . در این ژیروسکوپ ، چون مجموعه دوار در یک سیا شناور است ، اصطکاک تکیه گاه های محور خروجی کاهش می یابد و در نتیجه خطای ژیروسکوپ کم می شود .
ژیروسکوپ های مقید [11]:
چنانچه در ژیروسکوپ انتگرالی از سیال با لزجت کم و یا گاز استفاده شود ، در این صورت واکنش قابل توجهی به عنوان گشتاور ناشی از دمپینگ سیال نداریم و تنها عاملی که سعی می کند از خارج شدن طوقه از وضعیت اولیه جلوگیری کند ، واکنشی اینرسی مجموعه دوار است . به چنین ژیروسکوپ هایی ، ژیروسکوپ غیر مقید می گویند .
[1] Gyro
[2] Scope
[3] Hipparchus
[4] Jean Bernard Leon Facaulf
[5] Anschutz Kaempfe
[6] Cherles Stark Draper
[7] One-degree-of-freedom gyroscope
[8] Two-degree-of-freedom gyroscope
[9] Rate Gyro
[10] Integration gyroscope
[11] Unrestrained gyroscope
مطالب مشابه :
نحوه کارکرد دیفرانسیل تراکتور
موقعی که وسیله نقلیه خارجی دور بیشتر و چرخ موارد در بعضی از وسایل نقلیه
شرکت فیلتر کاسپین
های در جه یک کره ای و خارجی استاندارد و مواد پلی نصب و کارکرد برای انواع وسایل
ژیروسکوپ Gyroscope چیست؟
مرجع در وسایل نقلیه کارکرد ژیروسکوپ های خارجی نیز به نوبه خود
CNG از رویا تا واقعیت
سوخت در وسایل نقلیه، به بحث روز کشورهای خارجی و حتی یابد و هم باعث کارکرد نرم تر
زمین خدا بزرگ است ...
یک توصیه یا پیشنهاد (یا اصلا هر چی که می خوایید اسمش رو بذارید) به مسئولین شهرداری و سازمان
ژیروسکوپ چیست؟
مبنای کارکرد ژیروسکوپ نیروهای خارجی بر آن وسایل نقلیه فضایی
تعریف جامع کلاچ و متعلقات
کلاچ که بهترین مثال آن نیز هست، استفاده از کلاچ در اتومبیل ها و وسایل نقلیه خارجی به طور
برچسب :
وسایل نقلیه خارجی کارکرد