A giroszkóp (görögül: „amely figyeli az elfordulást”) olyan eszköz, amely egy korongból áll, amelynek forgástengelye szabadon képes minden lehetséges irányt megtenni a kardántengely- rendszernek köszönhetően . Ez az eszköz kihasználja elvének megőrzése perdület a fizika (vagy akár giroszkópos stabilitási vagy giroszkópos hatás). A mechanika ezen alaptörvénye az, hogy az egyik fő tengelye körül forgó szilárd anyagra alkalmazott nyomaték hiányában az utóbbi megőrzi változatlan forgástengelyét. Ha a készülékre nyomatékot alkalmaznak, az precessziót vagy táplálást okoz a forgó szilárd anyagból.
A giroszkópokat szögpozíció-érzékelőként használják, míg a giroszkópok szögsebesség-érzékelők. A giroszkóp megadja referenciakeretének szöghelyzetét (csak egy vagy két tengely mentén) egy inerciális (vagy galilei) referenciakerethez képest.
A készülék fő része egy nehéz kerék, amelynek tömege a peremre kerül, amelyet tórusának (vagy bármely hengeres szimmetriájú tárgynak) neveznek, és amely a tengelyén nagy sebességgel forog. Ez, miután elindult, hajlamos ellenállni az irányváltozásának. Erre kényszerítve a giroszkóp paradox módon reagál: azáltal, hogy nem abban az erőben mozog, amelyet tapasztal, hanem merőleges irányban.
Ennek a hatásnak a megtapasztalásának egyszerű módja, ha a kerékkereket karnyújtásnyira tartja az agy anyáinál, és egy másik személy gyorsan megpörgeti. Amikor megpróbálja oldalra dönteni a forgó kereket, ellenállást érez. A forgatónyomaték megőrzése hajlamos szembeszállni ezzel a mozgással. A tehetetlenségi ellenállás giroszkópos hatása akkor is észrevehető, ha egy nagy forgó számítógépes merevlemezt vagy hordozható lemezcsiszolót tart a kezében, olyan tárgyakat, amelyek megpróbálnak ellenezni a rájuk rótt irányváltozásokat.
A kardán kettős felfüggesztésével szabaddá tett tórust (3 szabadságfok) 1810-ben gyártotta először Bohnenberger német csillagász, majd Léon Foucault tökéletesítette és így keresztelte meg 1852-ben , hogy bemutassa a már beállított Föld forgását . 1851-ben híres inga, a Foucault-inga . A nyilvánosság előtt a Panthéonban (Párizs) végzett inga-kísérlet nem tűnt kellően meggyőzőnek a tudományos közösség számára, ami arra késztette Foucault-t, hogy a következő évben készítsen precíziós giroszkópot.
Foucault így 1852-ben bemutatott egy eszközt, amely megfigyelhető mérések elvégzéséhez elegendően hosszú ideig (kb. Tíz percig) képes fenntartani a kellően gyors forgást (másodpercenként 150-200 fordulat). Ennek a nagy pontosságú eszköznek a megvalósítása mechanikus bravúr volt egyelőre (és ma is), és Foucault és munkatársa, Froment mechanikai tehetségét szemlélteti , hogy a mozgó alkatrészeket nagyon szigorúan ki kell egyensúlyozni, és a súrlódást a minimumra kell csökkenteni.
A Föld forgása egy földi megfigyelő számára a giroszkóp forgástengelyének teljes fordulatát mutatja sziderális napon, ennek az iránya láthatóan a csillagokhoz képest rögzített, ez a hatás nem látható. A giroszkóp forgástengelye párhuzamos a Föld forgástengelyével.
Foucault rájött, hogy készüléke tehetetlenségi referencia, és hogy ezzel fel lehet tüntetni a hely északi és szélességi fokát. Valójában, miután a giroszkóp tengelye párhuzamosan alakult a Föld tengelyével, az már nem mozog, függetlenül attól, hogy milyen mozgásokat és elmozdulásokat kapott a támaszához, de ennek a tulajdonságnak csak a fizikai demonstrációja lehet hasznos, mert nem tudtuk, hogyan hogy a giroszkóp tórusának nagy sebességű forgása határozatlan időtartamig fennmaradjon. Hopkins ezt követően 1890-ben villanymotort használ a giroszkóp tórusának folyamatos meghajtására. Végül az elektromos motornak köszönhetően Anschütz 1908-ban és Sperry 1911-ben különböző elvű giroszkópos iránytűt állított elő, a giroszkópos iránytű a giroszkóp sajátos alkalmazása, amely kénytelen északra utalni. A giroszkópos iránytűk gyakorlati megvalósítását nagyon várták a katonai hajózás igényeihez, mert a hajókat most vasfémekből építették, ami bonyolította a hagyományos mágneses iránytű használatát, amelyet ebben az ellenséges környezetben nagyon zavart, és még inkább a tengeralattjárók fedélzetén. nőni. Ezenkívül a giroszkópos iránytű továbbra is működik nagy szélességi körökben, ideértve a lengyeleket is, miközben a mágneses iránytű ott már nem használható. Végül a giroszkópos iránytű az igazi északot, míg a mágneses iránytű azt a mágneses északot jelöli, amelynek pólusa nem a földrajzi északi sarkon található. A giroszkóp továbbra is megtalálható lesz a rakéták inerciális irányításában , és például az Apollo-program során a Hold felé tartó kísérletekben . Mesterséges műholdakon is megtalálható a szemléletszabályozás céljából .
A művelet a giroszkóp alapul védelméről perdület (vagy perdület ).
A giroszkópokat olyan giroszkópok gyártására lehet használni, amelyek kiegészítik vagy kicserélik a mágneses iránytűket (iránytűket) - hajókban, repülőgépekben és általában a járművekben -, valamint elősegítik a motorkerékpárok, a Hubble űrtávcső stabilitását , valamint a szögmomentum a reakció kerekeihez . A közhiedelemmel ellentétben a precession jelensége elhanyagolható a kerékpár egyensúlya esetén .
A giroszkópos effektusok olyan játékok alapjait is jelentik, mint a jojók , Powerballok , fonócsúcsok vagy akár a diabolo .
A giroszkóp viselkedését leíró alapvető egyenlet:
ahol a vektorok és rendre a pillanat (vagy nyomaték ) a giroszkóp és a perdület .
Abban az esetben, a pörgettyűs közelítése, ahol a forgási sebesség ω magas, azt közelítő L által , a skaláris I hogy a tehetetlenségi nyomatéka , és annak szögsebessége vektor . Az egyenlet:
ahol a vektor a szöggyorsulása.
Ebből az következik, hogy a forgástengelyre merőlegesen alkalmazott, ezért merőleges nyomaték merőleges elmozdulást okoz . Ezt a mozgást precessziónak nevezzük . A Ω P precesszió szögsebességét az adja meg
A precesszió jelensége megfigyelhető egy függőleges tengelye körül forgó giroszkóp elhelyezésével, amelyet a talaj vagy az egyik végén a talajhoz rögzített pont támogat. Ahelyett, hogy várhatóan elesne, a giroszkóp úgy tűnik, hogy dacol a gravitációval, függőleges tengelyén maradva, még akkor is, ha a tengely egyik vége nem támogatott. A megtakarított energia, a tengely szabad vége lassan leír egy kört vízszintes síkban.
Amint azt a második egyenlet mutatja, a gravitáció miatt állandó pillanat alatt a giroszkóp precessziójának sebessége fordítottan arányos a szögmomentumával. Ez azt jelenti, hogy amint a súrlódás lelassítja a giroszkóp forgó mozgását, a precesszió mértéke növekszik. Ez addig folytatódik, amíg az eszköz már nem képes olyan gyorsan forogni, hogy elbírja saját súlyát, majd megállítja a precessziót és kiesik a tartójából.