المحتوى
- لماذا تتجه نحو اليسار عندما تتحول السيارة إلى اليمين؟
- أصل الجيروسكوب
- ما هي الجيروسكوبات؟
- فيزياء الجيروسكوب
- مثال على جيروسكوبات النخبة: تلسكوب هابل
- لماذا يسمى قانون نيوتن الأول أحيانًا "قانون القصور الذاتي"
- هل القصور الذاتي قوة؟
- ماذا قياس التسارع؟
لا يحصل الجيروسكوب ، الذي يُسمى غالبًا بالدوران (يجب عدم الخلط بينه وبين غلاف الطعام اليوناني) ، على قدر كبير من الصحافة. لكن من دون هذه الأعجوبة الهندسية ، سيكون العالم - وخاصة استكشاف البشر للعوالم الأخرى - مختلفًا تمامًا. لا غنى عن الجيروسكوب في الصواريخ والطيران ، وكمكافأة ، فإن الجيروسكوب البسيط يصنع لعبة رائعة للأطفال.
جيروسكوب ، على الرغم من أن الجهاز يحتوي على الكثير من الأجزاء المتحركة ، هو في الواقع جهاز استشعار. والغرض منه هو الحفاظ على حركة جزء دوار في وسط الجيروسكوب في مواجهة التحولات في القوى التي تفرضها البيئة الخارجية للجيروسكوبات. وهي مبنية بحيث يتم موازنة هذه التحولات الخارجية بحركات أجزاء الجيروسكوبات التي تعارض دائمًا التغيير المفروض. هذا لا يختلف عن الطريقة التي سيحملها الباب أو المصيدة المصنّفة في الربيع على معارضة محاولاتك لفتحه ، كل هذا بقوة أكبر إذا ازدادت جهودك. جيروسكوب ، ومع ذلك ، هو أكثر تعقيدا بكثير من الربيع.
لماذا تتجه نحو اليسار عندما تتحول السيارة إلى اليمين؟
ما معنى تجربة "قوة خارجية" ، أي التعرض لقوة جديدة عندما لا يكون هناك أي شيء جديد يلمسك فعلاً؟ فكر في ما يحدث عندما تكون في مقعد الراكب في سيارة كانت تسير في خط مستقيم بسرعة ثابتة. نظرًا لأن السيارة لا تسرع أو تتباطأ ، فإن جسمك لا يواجه تسارعًا خطيًا ، ولأن السيارة لا تدور ، فأنت لا تواجه تسارعًا زاويًا. نظرًا لأن القوة هي نتاج الكتلة والتسارع ، فلن تواجه أي قوة صافية في ظل هذه الظروف ، حتى لو كنت تتحرك بسرعة 200 ميل في الساعة. هذا وفقًا لقانون نيوتن الأول للحركة ، والذي ينص على أن الجسم المريح سيبقى في حالة راحة ما لم يتم التصرف بناءً على قوة خارجية ، وأيضًا أن الجسم الذي يتحرك بسرعة ثابتة في نفس الاتجاه سيستمر على طول مساره المحدد ما لم يتعرض لقوة خارجية.
عندما تتحول السيارة إلى اليمين ، إلا إذا بذلت بعض الجهد البدني للتصدي للإدخال المفاجئ للتسارع الزاوي في سيارتك ، فسوف تنقلب باتجاه السائق إلى يسارك. لقد انتقلت من تجربة عدم وجود قوة صافية إلى تجربة قوة تشير مباشرة من مركز الدائرة وبدأت السيارة في تتبعها. نظرًا لأن فترات الدوران القصيرة تؤدي إلى تسارع زاوي أكبر في سرعة خطية معينة ، فإن ميلك نحو النزول إلى اليسار يكون أكثر وضوحًا عندما يقوم سائقك بدور منعطف حاد.
إن ممارستك الخاصة المتأصلة اجتماعيًا في تطبيق ما يكفي من الجهد المضاد للميول للحفاظ على نفسك في نفس الموقف في مقعدك تشبه ما تفعله الجيروسكوبات ، وإن كان ذلك بطريقة أكثر تعقيدًا وفعالية.
أصل الجيروسكوب
يمكن تتبع الجيروسكوب رسميًا حتى منتصف القرن التاسع عشر والفيزيائي الفرنسي ليون فوكو. ربما اشتهر فوكو بالبندول الذي يحمل اسمه وقام بمعظم أعماله في مجال البصريات ، لكنه توصل إلى جهاز استخدمه لإظهار دوران الأرض من خلال اكتشاف طريقة لإلغاءها في الواقع. أو عزل آثار الجاذبية على الأجزاء الأعمق من الجهاز. وهذا يعني أن أي تغيير في محور دوران عجلة الجيروسكوب خلال فترة الدوران كان لابد من نقله بواسطة دوران الأرض. وهكذا تكشفت أول استخدام رسمي لجيروسكوب.
ما هي الجيروسكوبات؟
يمكن توضيح المبدأ الأساسي لجيروسكوب باستخدام عجلة دراجة الغزل في عزلة. إذا كنت ستحمل العجلة على كل جانب بواسطة محور قصير يوضع في منتصف العجلة (مثل القلم) وقام شخص ما بتدوير العجلة أثناء حملها ، فستلاحظ أنه إذا حاولت قلب العجلة على جانب واحد لن يسير هذا الاتجاه بنفس السهولة التي كان عليها لو لم يكن الغزل. هذا ينطبق على أي اتجاه من اختيارك وبغض النظر عن كيفية تقديم الحركة فجأة.
ربما يكون من الأسهل وصف أجزاء الجيروسكوب من الأعمق إلى الأبعد. أولاً ، يوجد في الوسط عمود دوار أو قرص (وعندما تفكر في الأمر ، من الناحية الهندسية ، فإن القرص ليس أكثر من عمود قصير للغاية ، واسع للغاية). هذا هو أثقل عنصر في الترتيب. يتم توصيل المحور الذي يمر عبر وسط القرص بواسطة محامل كروية شبه احتكاكية بحلقة دائرية تسمى gimbal. هذا هو المكان الذي تصبح فيه القصة غريبة ومثيرة للاهتمام للغاية. يتم ربط هذا المحمل نفسه بواسطة محامل كريات مشابهة بحمالة أخرى أوسع قليلاً قليلاً ، بحيث يمكن للحامل الداخلي أن يدور بحرية داخل حدود المنحنى الخارجي. تكون نقاط تعلق gimbals ببعضها على طول خط عمودي على محور دوران القرص المركزي. أخيرًا ، يتم إحاطة gimbal الخارجي بواسطة محامل كروية أكثر انزلاقًا سلسة في طوق ثالث ، يعمل هذا الإطار كإطار من الجيروسكوب.
(يجب عليك الرجوع إلى رسم تخطيطي لجيروسكوب أو مشاهدة مقاطع الفيديو القصيرة في "الموارد" إذا كنت قد فعلت بالفعل ؛ وإلا ، كل هذا يكاد يكون من المستحيل التصور!)
مفتاح وظيفة الجيروسكوب هو أن الأجسام المتحركة الثلاثة المترابطة ولكن ذات الحركة الدوارة المستقلة تسمح بالحركة في ثلاث طائرات أو أبعاد. إذا كان هناك شيء من شأنه أن يزعج محور دوران العمود الداخلي ، فيمكن مقاومة هذا الاضطراب في نفس الوقت في الأبعاد الثلاثة جميعًا لأن الأجسام المتحركة "تمتص" القوة بطريقة منسقة. ما يحدث بشكل أساسي هو أنه عندما تدور الحلقتان الداخليتان استجابة لأي إزعاج قد يواجهه الجيروسكوب ، فإن محاور الدوران الخاصة بهما تقع داخل طائرة تبقى عموديًا على محور دوران العمود. إذا لم تتغير هذه الطائرة ، فلن يتغير اتجاه الأعمدة.
فيزياء الجيروسكوب
عزم الدوران هو القوة المطبقة حول محور الدوران بدلاً من الدوران المباشر. وبالتالي لها تأثيرات على الحركة الدورانية بدلاً من الحركة الخطية. في الوحدات المعيارية ، يتم ضرب "ذراع الرافعة" مرات (المسافة من مركز الدوران الحقيقي أو الافتراضي ؛ فكر في "نصف القطر"). لذلك لديها وحدات من نيم.
ما ينجزه الجيروسكوب في العمل هو إعادة توزيع أي عزم دوران مطبق بحيث لا تؤثر على حركة العمود المركزي. من المهم أن نلاحظ هنا أن الجيروسكوب لا يهدف إلى الحفاظ على شيء يتحرك في خط مستقيم ؛ الغرض منه هو الحفاظ على شيء يتحرك مع سرعة دوران ثابتة. إذا فكرت في الأمر ، فربما يمكنك أن تتخيل أن المركبة الفضائية التي تسافر إلى القمر أو إلى وجهات بعيدة لا تتنقل من نقطة إلى نقطة ؛ بدلاً من ذلك ، يستخدمون الجاذبية التي تمارسها الأجسام المختلفة ويسافرون في مسارات أو منحنيات. الحيلة هي التأكد من أن معلمات هذا المنحنى تبقى ثابتة.
لوحظ أعلاه أن العمود أو القرص الذي يشكل مركز الجيروسكوب يميل إلى أن يكون ثقيلًا. كما تميل إلى الدوران بسرعات غير عادية - الجيروسكوبات الموجودة على تليسكوب هابل ، على سبيل المثال ، تدور بسرعة 19200 دورة في الدقيقة ، أو 320 في الثانية. على السطح ، يبدو من العبث أن يقوم العلماء بتجهيز مثل هذه الأداة الحساسة بامتصاص مكوّن حرّ متهور (حرفيًا) في منتصفه. بدلاً من ذلك ، بالطبع ، هذا أمر استراتيجي. الزخم ، في الفيزياء ، هو ببساطة سرعة أوقات الكتلة. في المقابل ، الزخم الزاوي هو التعطيل (كمية تضم الكتلة ، كما سترى أدناه) أضعاف السرعة الزاوية. ونتيجة لذلك ، كلما كانت عجلة الغزل تدور بشكل أسرع ، زادت قوة الجمود عن طريق كتلة أكبر ، كلما زاد الزخم الزاوي الذي يمتلكه العمود. كنتيجة لذلك ، فإن أجزاء الجيمبال ومكونات الجيروسكوب الخارجية لديها قدرة عالية على كتم آثار عزم الدوران الخارجي قبل أن يصل عزم الدوران إلى مستويات كافية لتعطيل اتجاه مهاوي في الفضاء.
مثال على جيروسكوبات النخبة: تلسكوب هابل
يحتوي تلسكوب هابل الشهير على ستة جيروسكوبات مختلفة للتنقل ، وتحتاج إلى استبدالها بشكل دوري. تشير السرعة الدورانية المذهلة لدوارها إلى أن الكرات غير عملية من المستحيل بالنسبة إلى عيار الجيروسكوب هذا. بدلاً من ذلك ، يستخدم Hubble الجيروسكوبات التي تحتوي على محامل الغاز ، والتي تقدم أقرب ما يكون إلى تجربة دوران احتكاكية حقًا مثل أي شيء يصنعه البشر.
لماذا يسمى قانون نيوتن الأول أحيانًا "قانون القصور الذاتي"
القصور الذاتي هو مقاومة للتغيير في السرعة والاتجاه ، أيا كانت. هذه هي النسخة غير الرسمية للإعلان الرسمي الذي وضعه إسحاق نيوتن منذ قرون.
في اللغة اليومية ، يشير مصطلح "القصور الذاتي" عادةً إلى التردد في الانتقال ، مثل "كنت ذاهبًا لجز العشب ، لكن القصور الذاتي أبقى لي معلقًا على الأريكة". ومع ذلك ، سيكون من الغريب أن نرى شخصًا قد وصل للتو إلى نهاية سباق الماراثون الذي يبلغ طوله 26.2 ميلًا ويرفض التوقف نظرًا لآثار القصور الذاتي ، على الرغم من وجهة نظر الفيزياء ، فإن استخدام المصطلح هنا مسموح به بنفس الدرجة - إذا كان واصل العداء الركض في نفس الاتجاه وبنفس السرعة ، ومن الناحية الفنية سيكون هذا هو الجمود في العمل. ويمكنك أن تتخيل المواقف التي يقول فيها الناس أنهم فشلوا في التوقف عن فعل شيء ما بسبب القصور الذاتي ، مثل ، "كنت سأغادر الكازينو ، لكن القصور الذاتي جعلني أذهب من طاولة إلى أخرى." (في هذه الحالة ، قد يكون "الزخم" أفضل ، ولكن فقط إذا فاز اللاعب!)
هل القصور الذاتي قوة؟
معادلة الزخم الزاوي هي:
L = Iω
حيث تمتلك L وحدات من الكيلومترات2/س. بما أن وحدات السرعة الزاوية ، ω ، هي ثواني متبادلة ، أو s-1 ، فإن القصور الذاتي ، يحتوي على وحدات من الكيلومترات2. وحدة القوة القياسية ، نيوتن ، تنقسم إلى كجم ⋅ م / ث2. وبالتالي القصور الذاتي ليس قوة. هذا لم يمنع عبارة "قوة القصور الذاتي" من دخول اللغة العامية السائدة ، كما يحدث مع أشياء أخرى "تشعر" وكأنها قوى (الضغط هو مثال جيد).
ملاحظة جانبية: على الرغم من أن الكتلة ليست قوة ، إلا أن الوزن يمثل قوة رغم استخدام المصطلحين بالتبادل في الإعدادات اليومية. وذلك لأن الوزن هو دالة للجاذبية ، ولأن قلة قليلة من الناس تغادر الأرض لفترة طويلة ، فإن أوزان الأجسام على الأرض ثابتة فعليًا كما هي كتلها ثابتة حرفيًا.
ماذا قياس التسارع؟
مقياس التسارع ، كما يوحي الاسم ، يقيس التسارع ، ولكن التسارع الخطي فقط. هذا يعني أن هذه الأجهزة ليست مفيدة بشكل خاص في العديد من تطبيقات جيروسكوب ثلاثية الأبعاد ، على الرغم من أنها مفيدة في المواقف التي يمكن أن يحدث فيها اتجاه الحركة في بعد واحد فقط (على سبيل المثال ، مصعد نموذجي).
التسارع هو نوع واحد من أجهزة الاستشعار بالقصور الذاتي. جيروسكوب آخر ، إلا أن الدوران يقيس التسارع الزاوي. وعلى الرغم من أنه خارج نطاق هذا الموضوع ، فإن المغنطيس هو نوع ثالث من أجهزة الاستشعار بالقصور الذاتي ، وهذا الجهاز يستخدم في المجالات المغناطيسية. تضم منتجات الواقع الافتراضي (VR) هذه المستشعرات بالقصور الذاتي مجتمعة لإنتاج تجارب أكثر واقعية وواقعية للمستخدمين.