«ژیروسکوپ» (Gyroscope) سنسوری است که برای اندازه‌گیری نرخ چرخش یا جهت یک جسم استفاده می‌شود. این وسیله با به‌کارگیری اصل پایستگی تکانه زاویه‌ای عمدتاً برای حفظ و تثبیت سیستم‌ها یا دستگاه‌هایی که در معرض نیروهای چرخشی یا زاویه‌ای هستند، به‌کار می‌رود. ژیروسکوپ‌ها معمولاً در صنایع هوافضا، دریایی، نظامی، خودروسازی و حتی در دستگاه‌های الکترونیکی مانند تلفن‌های همراه و دستگاه‌های ناوبری GPS مورد استفاده قرار می‌گیرند.
فهرست
تاریخچه ژیروسکوپ
ژیروسکوپ اولین‌بار در سال ۱۸۱۷ توسط یک فیزیک‌دان آلمانی به‌نام «یوهان بوننبرگر» (Johann Bohnenberger) اختراع شد، وسیله‌ای ساده شامل یک دیسک چرخان آویزان شده توسط یک گیمبال که بوننبرگر آن را «ماشین» نامید و از آن برای نشان‌دادن چرخش زمین استفاده کرد.
در سال ۱۹۵۲، «ژان برنارد لئون فوکو» (Jean-Bernard-Léon Foucault) فیزیک‌دان فرانسوی نوع جدیدی از ژیروسکوپ را ابداع کرد و آن را «ژیروسکوپ فوکو» نامید. ژیروسکوپ فوکو دقیق‌تر از ژیروسکوپ بوننبرگ بود و برای انجام نخستین اندازه‌گیری‌های دقیق چرخش زمین مورداستفاده قرار گرفت.
در اواخر قرن نوزدهم، استفاده از ژیروسکوپ‌ها در کاربردهای گوناگونی همچون ناوبری، تثبیت و هدایت آغاز شد. در سال ۱۸۸۵، مخترع آلمانی «هرمان آنشوتس-کمپفه» (Hermann Anschütz-Kaempfe)، اولین قطب‌نمای ژیروسکوپی کاربردی را اختراع کرد. قطب‌نماهای ژیروسکوپی در کشتی‌ها و هواپیماها جهت حفظ مسیر حرکت استفاده می‌شوند.
همچنین، ژیروسکوپ‌ها در هواگردها و فضاپیماهای اولیه برای کمک به تثبیت و کنترل جهت به کار می‌رفتند. در سال ۱۹۱۰، مخترع آمریکایی «المر اسپری» (Elmer Sperry) نخستین ژیروسکوپ هواگرد را که از آن برای تثبیت هواپیماها در هنگام پرواز استفاده می‌شد، اختراع کرد.
اجزای ژیروسکوپ
اجزای اصلی ژیروسکوپ عبارت اند از:
- محور چرخش: محوری است که دیسک به‌دور آن می‌چرخد. محور چرخش توسط محور چرخ دوار که همان روتور است تعیین می‌شود. محور گیمبال داخلی که روتور باید دائماً به‌دور آن بچرخد، عمود بر این محور است.
- گیمبال: گیمبال تکیه‌گاهی است که قابلیت چرخش دارد و امکان چرخش بخش موردنظر حول یک محور را فراهم می‌کند. بخشی که روی داخلی‌ترین گیمبال از سه گیمبال قرار گرفته است، می‌تواند با نصب‌شدن روی بیرونی‌ترین گیمبال از سه گیمبال که دارای محورهای چرخش متعامد هستند، استقلال خود را از چرخش تکیه‌گاهش حفظ کند.
- روتور: هسته روتور از طریق استفاده از یاتاقان‌های بدون اصطکاک موجود در گیمبالها، از گشتاورهای خارجی حفظ می‌شود. محور چرخ دوار، محور چرخش را مشخص می‌کند. روتور به دلیل توانایی در حفظ محور چرخش پرسرعت نزدیک مرکز روتور، پایداری بسیار خوبی در سرعت‌های بالا از خود نشان می‌دهد. روتور دارای سه درجه آزادی چرخشی است.
- قاب ژیروسکوپ: بیرونی‌ترین گیمبال در ژیروسکوپ است و به‌گونه‌ای قرار می‌گیرد که می‌تواند حول محوری در صفحه خود که توسط تکیه‌گاه تعیین می‌شود بچرخد.
نحوه عملکرد ژیروسکوپ
به‌طورکلی، روتور بزرگی که روی حلقه‌های تکیه‌گاه یعنی گیمبالها قرار می‌گیرد، ساختار اصلی یک ژیروسکوپ است. به دلیل وجود یاتاقان‌های بدون اصطکاک در گیمبالها، مرکز روتور در برابر گشتاورهای خارجی محافظت می‌شود. محور چرخ دوار، محور چرخش را مشخص می‌کند. هنگامی که روتور حول یک محور می‌چرخد، سه درجه آزادی چرخشی دارد. روتور پس از به‌دست‌آوردن تعادل فوق‌العاده پایدار در سرعت‌های بالا، محور چرخش پرسرعت هسته‌اش را حفظ می‌کند.
طرز کار ژیروسکوپ به این صورت است که به کمک چرخش روتور و خاصیت تکانه زاویه‌ای، به‌نوعی می‌تواند جهت خود را حفظ کند. به این معنی که وقتی روتور در حال چرخش با سرعت بالا است، هر چقدر هم چارچوب یا محورهای ژیروسکوپ تغییر جهت دهند، روتور تمایل دارد که به سمت اولیه خود باقی بماند.
وقتی روتور شروع به چرخش می‌کند، نیروی اینرسی ناشی از چرخش باعث می‌شود تا جسم چرخنده (روتور) به‌شدت در برابر تغییر جهت مقاومت کند. این ویژگی باعث می‌شود که اگر ژیروسکوپ روی یک جسم متحرک نصب شود (مثلاً هواپیما یا فضاپیما)، با تغییر جهت آن جسم، ژیروسکوپ به همان زاویه اصلی باقی بماند و بتوان از آن برای اندازه‌گیری دقیق زاویه‌های تغییر جهت استفاده کرد.
تحلیل ریاضی حرکت ژیروسکوپ
تحلیل ریاضی حرکت ژیروسکوپ بر اساس قوانین دینامیک چرخشی و مفاهیم مرتبط با تکانه زاویه‌ای (angular momentum) انجام می‌شود. به‌طورکلی، تکانه زاویه‌ای یک جسم چرخنده را می‌توان به‌صورت حاصل‌ضرب ممان اینرسی جسم (I) و سرعت زاویه‌ای (ω) آن تعریف کرد. در ژیروسکوپ، تکانه زاویه‌ای به‌عنوان یک بردار سه‌بعدی عمل می‌کند که جهت آن عمود بر صفحه چرخش روتور است. این بردار تمایل دارد ثابت باقی بماند و تغییر جهت ندهد مگر اینکه نیروی خارجی به آن وارد شود؛ این اصل به نام قانون بقای تکانه زاویه‌ای شناخته می‌شود.
معادلات حرکت ژیروسکوپ از معادله اویلر برای سیستم‌های چرخنده پیروی می‌کنند. این معادله به‌صورت زیر است:
که در آن 𝐿 تکانه زاویه‌ای و 𝜏 گشتاور (torque) است. اگر گشتاوری به جسم وارد شود، بردار تکانه زاویه‌ای در جهت آن گشتاور تغییر می‌کند، که منجر به پدیده‌ای به نام پریسِشن (precession) می‌شود. در پدیده پرِیسشن، محور چرخش ژیروسکوپ به‌آرامی حول یک محور دیگر شروع به دوران می‌کند، بدون اینکه روتور مستقیماً جهت چرخش خود را تغییر دهد. سرعت زاویه‌ای پریسشن به مقدار گشتاور وارده و سرعت زاویه‌ای اصلی روتور بستگی دارد.
میزان و جهت پِریسشن را می‌توان با استفاده از معادله زیر تحلیل کرد:
در اینجا 𝛺 سرعت زاویه‌ای پریسشن، 𝜏 گشتاور خارجی، 𝐼 ممان اینرسی روتور و 𝜔 سرعت زاویه‌ای چرخش اصلی روتور است. طبق این معادله، هرچه سرعت چرخش روتور بیشتر باشد، مقدار پریسشن کمتر خواهد بود و برعکس، با افزایش گشتاور وارده، سرعت زاویه‌ای پریسشن بیشتر می‌شود.
همچنین، تحلیل ریاضی ژیروسکوپ نشان می‌دهد که اگر نیروهای خارجی و گشتاور به ژیروسکوپ وارد نشوند، بردار تکانه زاویه‌ای ثابت باقی می‌ماند. این ویژگی باعث می‌شود که ژیروسکوپ بتواند به طور دقیق جهت‌گیری خود را حفظ کند، حتی اگر جسمی که ژیروسکوپ روی آن نصب شده در حال حرکت باشد. به همین دلیل، در سیستم‌های ناوبری و هدایت (مانند هواپیماها و کشتی‌ها) از ژیروسکوپ‌ها برای اندازه‌گیری و حفظ جهت استفاده می‌شود.
پدیده تقدم در ژیروسکوپ
- زمانی که ژیروسکوپ تحت‌تأثیر نیروهای خارجی یا چرخش حول یک محور خاص قرار می‌گیرد، از تقدم (حرکت تقدیمی) برای تعیین جهت‌گیری استفاده می‌شود.
- تقدم زمانی رخ می‌دهد که بخش در حال چرخش روی یک محور، گشتاور خارجی عمود بر محور چرخشی را تجربه کند.
- گشتاور اعمال‌شده در جهت مخالف با استفاده از یک موتور یا ماشین دیگر، می‌تواند حرکت تقدیمی را متوقف و جهت را حفظ کند.
- دو ژیروسکوپ که عمود بر یکدیگر قرار گرفته‌اند نیز می‌توانند مانع حرکت تقدیمی شوند.
- برای محاسبه نرخ چرخش می‌توان از ضربه گشتاور مخالف در فواصل منظم استفاده کرد.
انواع ژیروسکوپ
- ژیروسکوپ مکانیکی
- ژیروسکوپ اپتیکی یا نوری
- ژیروسکوپ گازسوز
ژیروسکوپ مکانیکی
ژیروسکوپ مکانیکی
ژیروسکوپ مکانیکی بر اساس پایستگی تکانه زاویه‌ای عمل می‌کند و ازجمله شناخته‌شده‌ترین ژیروسکوپ‌ها محسوب می‌شود. وجود بلبرینگ برای چرخش ژیروسکوپ مکانیکی ضروری است. ژیروسکوپ‌های مدرن به دلیل داشتن نویز کمتر جایگزین ژیروسکوپ‌های قدیمی شده‌اند. این نوع ژیروسکوپ‌ها برای هدایت موشک و ناوبری هواگردهای بزرگ استفاده می‌شوند.
ژیروسکوپ اپتیکی یا نوری
این ژیروسکوپ‌ها متکی بر چرخ گردان یا بلبرینگ بوده و مبتنی بر پایستگی تکانه زاویه‌ای نیستند. در ژیروسکوپ‌های اپتیکی، از دو سیم‌پیچ فیبر نوری که در جهات مختلف چرخانده شده‌اند، استفاده می‌شود. این نوع ژیروسکوپ‌ها به دلیل بی‌حرکت بودن، در موشک‌ها و فضاپیماهای کنونی به کار می‌روند و تصور می‌شود محکم و بادوام باشند.
ژیروسکوپ یاتاقان گازی
با معلق کردن روتور به کمک گاز تحت‌فشار، سطح اصطکاک بین دو قطعه متحرک ژیروسکوپ گازسوز کاهش می‌یابد. هنگام ساخت تلسکوپ هابل، ناسا از یک ژیروسکوپ گازسوز استفاده کرد. ژیروسکوپ‌های گازسوز نسبت به انواع دیگر ژیروسکوپ‌ها دقیق‌تر و بی‌صداتر هستند.
ژیروسکوپ HRG
ژیروسکوپ HRG (مخفف Hemispherical Resonator Gyroscope) یک نوع ژیروسکوپ دقیق است که در صنایع مختلف، به‌ویژه در هوافضا، استفاده می‌شود. این ژیروسکوپ از یک رزوناتور نیمکره‌ای شیشه‌ای یا کوارتزی تشکیل شده که به‌صورت ارتعاشی عمل می‌کند. در HRG، وقتی وسیله در حال چرخش است، تغییر فاز در الگوی ارتعاشی رزوناتور ایجاد می‌شود و از این طریق، سرعت زاویه‌ای دستگاه اندازه‌گیری می‌شود. یکی از ویژگی‌های برجسته این ژیروسکوپ، عمر طولانی و دقت بالا همراه با مقاومت در برابر ضربات و لرزش‌ها است.
کاربردهای HRG در سیستم‌های ناوبری اینرسی برای موشک‌ها، هواپیماها، ماهواره‌ها و زیردریایی‌ها بسیار گسترده است. برخلاف ژیروسکوپ‌های سنتی که از دیسک‌های دوار استفاده می‌کردند، HRG هیچ قطعه مکانیکی متحرکی ندارد که همین ویژگی موجب کاهش نیاز به تعمیرات و افزایش دوام آن می‌شود. به دلیل دقت و قابلیت اعتماد بالای آن، این نوع ژیروسکوپ در سیستم‌های حساس و استراتژیک مورداستفاده قرار می‌گیرد.
ژیروسکوپ MEMS
ژیروسکوپ MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems Gyroscope) یک حسگر کوچک است که برای اندازه‌گیری سرعت زاویه‌ای یا تغییرات چرخشی در محورهای مختلف استفاده می‌شود. این دستگاه‌ها از تکنولوژی سیستم‌های میکروالکترومکانیکی بهره می‌برند و به‌صورت گسترده در دستگاه‌های قابل‌حمل مانند تلفن‌های هوشمند، تبلت‌ها، پهپادها و دستگاه‌های بازی استفاده می‌شوند. ژیروسکوپ MEMS از یک ساختار میکروسکوپی ارتعاشی تشکیل شده که با تغییر زاویه یا چرخش، نیروی کورولیس ایجاد می‌کند و این نیرو اندازه‌گیری شده و به‌عنوان خروجی برای تعیین سرعت زاویه‌ای به کار می‌رود. این ژیروسکوپ‌ها به دلیل اندازه کوچک، مصرف انرژی کم و هزینه تولید پایین، به یکی از بخش‌های کلیدی فناوری‌های روزمره تبدیل شده‌اند.
عملکرد ژیروسکوپ MEMS بر اساس قوانین فیزیکی نیروی کورولیس است که به تغییر جهت حرکت اجسام در حال چرخش مربوط می‌شود. وقتی ژیروسکوپ حول یک محور چرخش می‌کند، عنصر ارتعاشی داخلی آن تحت‌تأثیر این نیرو قرار می‌گیرد و تغییرات در جهت ارتعاش را ثبت می‌کند. این تغییرات به شکل سیگنال‌های الکتریکی درآمده و برای محاسبه دقیق سرعت و جهت حرکت زاویه‌ای استفاده می‌شوند. دقت بالای این حسگرها به همراه توانایی تشخیص تغییرات سریع، آنها را به ابزاری حیاتی در کاربردهایی مانند تثبیت تصاویر، کنترل پهپادها و همچنین، ناوبری در خودروها و تجهیزات صنعتی تبدیل کرده است.
ژیروسکوپ ساختار ارتعاشی
ژیروسکوپ ساختار ارتعاشی (Vibrating Structure Gyroscope) نوعی حسگر چرخشی است که از ارتعاش مکانیکی برای اندازه‌گیری سرعت زاویه‌ای استفاده می‌کند. عملکرد این ژیروسکوپ‌ها بر اساس اثر کورولیس است که وقتی یک جسم در حال ارتعاش در معرض چرخش قرار می‌گیرد، نیرویی جانبی ایجاد می‌شود. در این نوع ژیروسکوپ‌ها، یک ساختار ارتعاش‌کننده مانند یک دیسک، تیر یا حلقه با فرکانس خاصی ارتعاش می‌کند. هنگام چرخش دستگاه، نیروی کورولیس به ارتعاشات اضافه شده و باعث تغییراتی در مسیر یا جهت ارتعاش می‌شود. این تغییرات با حسگرهای دقیق اندازه‌گیری می‌شود و به سیگنال‌های الکتریکی تبدیل می‌گردد که میزان سرعت زاویه‌ای را مشخص می‌کند.
ژیروسکوپ‌های ساختار ارتعاشی به دلیل مزایای زیادی که دارند، در کاربردهای متنوعی مانند خودروها، هواپیماها و دستگاه‌های صنعتی استفاده می‌شوند. این ژیروسکوپ‌ها برخلاف ژیروسکوپ‌های سنتی مکانیکی که قطعات متحرک زیادی دارند، از قطعات کوچک‌تری بهره می‌برند و از مقاومت بیشتری در برابر سایش و خرابی برخوردارند. همچنین، به دلیل طراحی ساده‌تر، مصرف انرژی کمتری دارند و می‌توانند در شرایط محیطی سخت مثل دماهای بالا یا لرزش‌های شدید نیز به‌خوبی عمل کنند. دقت بالا، پایداری طولانی‌مدت و توانایی عملکرد در مقیاس‌های میکرو از دیگر ویژگی‌های برجسته این نوع ژیروسکوپ‌ها است.
ژیروسکوپ تنظیم شده پویا (DTG)
ژیروسکوپ تنظیم شده پویا (Dynamically Tuned Gyroscope – DTG) نوعی ژیروسکوپ مکانیکی با دقت بالاست که برای اندازه‌گیری سرعت زاویه‌ای و حفظ پایداری سیستم‌های ناوبری استفاده می‌شود. این نوع ژیروسکوپ‌ها بر اساس چرخش یک روتور ساخته شده‌اند که در یک حالت تعلیق ژورنال قرار گرفته و با استفاده از نیروی ژیروسکوپی و بدون نیاز به تکیه‌گاه‌های سخت عمل می‌کند. در ژیروسکوپ تنظیم شده پویا، روتور به‌گونه‌ای طراحی شده که فرکانس‌های ارتعاش طبیعی آن با سرعت چرخش تطبیق داده می‌شوند، به‌طوری که در یک حالت تعادل دینامیکی قرار گیرد و هرگونه نیرو یا گشتاور ناخواسته به حداقل برسد. این ویژگی باعث افزایش دقت و کاهش خطاهای ناشی از اصطکاک مکانیکی یا نویزهای خارجی می‌شود.
ژیروسکوپ‌های DTG به دلیل دقت بالا و پایداری فوق‌العاده، به‌ویژه در کاربردهای ناوبری اینرسی، مانند هواپیماها، کشتی‌ها و فضاپیماها، مورداستفاده قرار می‌گیرند. برخلاف ژیروسکوپ‌های مکانیکی سنتی که به دلیل سایش قطعات نیاز به نگهداری دارند، DTG به دلیل طراحی بدون اصطکاک نیاز به نگهداری کمتری دارد و عمر طولانی‌تری را ارائه می‌دهد. یکی از مزیت‌های کلیدی DTGها این است که آنها می‌توانند بدون نیاز به ابزارهای کمکی خارجی، برای مدت‌های طولانی و با دقت بالا به کار خود ادامه دهند. این ویژگی آنها را به انتخابی مناسب برای سیستم‌های ناوبری اینرسی در شرایط حساس و بدون دسترسی به منابع خارجی مانند GPS تبدیل کرده است.
ژیروسکوپ فیبر نوری
ژیروسکوپ فیبر نوری (Fiber Optic Gyroscope – FOG) نوعی حسگر چرخشی است که بر اساس اصول تداخل‌سنجی نور و اثر سرنانک (Sagnac Effect) عمل می‌کند. در این ژیروسکوپ، از فیبر نوری به‌عنوان محیط اصلی برای اندازه‌گیری تغییرات زاویه‌ای استفاده می‌شود. نور از یک منبع لیزری وارد فیبر نوری می‌شود و در دو جهت مخالف درون یک حلقه فیبر نوری حرکت می‌کند. زمانی که ژیروسکوپ چرخش پیدا می‌کند، به دلیل اثر سرنانک، تفاوت در مسیر طی شده توسط دو پرتو نور ایجاد می‌شود که منجر به تغییر فاز در امواج نوری می‌گردد. این تغییر فاز به کمک یک تداخل‌سنج نوری اندازه‌گیری می‌شود و سپس به سیگنال الکتریکی تبدیل می‌شود که اطلاعات مربوط به سرعت زاویه‌ای را ارائه می‌دهد.
ژیروسکوپ‌های فیبر نوری به دلیل دقت بسیار بالا، پایداری طولانی‌مدت، و عدم وجود قطعات متحرک، به طور گسترده در سیستم‌های ناوبری اینرسی مانند هواپیماها، فضاپیماها، زیردریایی‌ها و کاربردهای نظامی استفاده می‌شوند. یکی از بزرگ‌ترین مزایای FOG نسبت به ژیروسکوپ‌های مکانیکی سنتی این است که آنها تحت‌تأثیر سایش مکانیکی یا اصطکاک قرار نمی‌گیرند که این موضوع باعث افزایش طول عمر و کاهش نیاز به تعمیر و نگهداری می‌شود. همچنین، این ژیروسکوپ‌ها می‌توانند در محیط‌های مختلف و حتی شرایط سخت عملیاتی مانند تغییرات دمایی یا لرزش‌های شدید، به‌خوبی عمل کنند. دقت و حساسیت بالای ژیروسکوپ‌های فیبر نوری آنها را به یکی از بهترین گزینه‌ها برای کاربردهای حساس و پیچیده تبدیل کرده است.
کاربردهای ژیروسکوپ
ژیروسکوپ‌ها دستگاه‌هایی هستند که برای اندازه‌گیری و حفظ جهت‌گیری زاویه‌ای مورداستفاده قرار می‌گیرند. این دستگاه‌ها بر اساس اصل بقای زاویه‌ای کار می‌کنند و در انواع مختلفی طراحی شده‌اند. کاربردهای ژیروسکوپ به دلیل دقت و حساسیت بالای آنها در صنایع مختلف گسترده است.
سیستم‌های ناوبری:
یکی از اصلی‌ترین کاربردهای ژیروسکوپ‌ها در سیستم‌های ناوبری است. هواپیماها، کشتی‌ها و زیردریایی‌ها برای حفظ جهت‌گیری دقیق و ایمنی در مسیرهای طولانی از ژیروسکوپ‌ها استفاده می‌کنند. در این سیستم‌ها، ژیروسکوپ به‌عنوان بخشی از یک سیستم هدایت اینرسیایی (INS) عمل می‌کند و اطلاعات مربوط به جهت و شتاب را فراهم می‌سازد. در این سیستم‌ها، ژیروسکوپ کمک می‌کند تا بدون نیاز به GPS یا سیستم‌های خارجی، موقعیت دقیق وسیله مشخص شود.
تجهیزات الکترونیکی و تلفن‌های هوشمند:
ژیروسکوپ‌ها به طور گسترده در تلفن‌های هوشمند و تبلت‌ها استفاده می‌شوند. آنها برای تشخیص حرکات و تغییرات زاویه‌ای دستگاه به کار می‌روند. این ویژگی به کاربران امکان می‌دهد تا در بازی‌ها و برنامه‌های واقعیت افزوده (AR)، تجربه‌ای تعاملی‌تر و غنی‌تر داشته باشند. همچنین در برخی از قابلیت‌های تلفن‌های هوشمند مانند چرخش خودکار صفحه و ردیابی حرکات دست استفاده می‌شود.
رباتیک و پهپادها:
در رباتیک، ژیروسکوپ‌ها نقش مهمی در حفظ تعادل و جهت‌گیری ربات‌ها دارند. به‌خصوص در ربات‌های دوپایه یا چهارپایه که باید به‌صورت دقیق تعادل خود را حفظ کنند. پهپادها نیز برای پرواز پایدار و جلوگیری از انحراف از مسیر از ژیروسکوپ استفاده می‌کنند. این دستگاه‌ها می‌توانند تغییرات کوچک در جهت‌گیری را سریعاً تشخیص دهند و به پهپادها کمک کنند که با دقت بالا به سمت مقصد پرواز کنند.
خودروها:
در خودروهای مدرن، ژیروسکوپ‌ها به‌عنوان بخشی از سیستم‌های کنترل پایداری و ترمز ضد قفل (ABS) مورداستفاده قرار می‌گیرند. ژیروسکوپ‌ها به سنسورها کمک می‌کنند تا انحراف از مسیر یا تغییرات ناگهانی در جهت‌گیری خودرو را تشخیص دهند و با ارسال سیگنال به سیستم‌های کنترل خودرو، اقداماتی مانند ترمزگیری یا تنظیم سرعت را انجام دهند تا از انحراف و تصادفات جلوگیری شود.
کاربردهای فضایی و ماهواره‌ها:
در فضاپیماها و ماهواره‌ها، ژیروسکوپ‌ها به‌عنوان بخشی از سیستم‌های کنترل وضعیت (Attitude Control Systems) به کار می‌روند. این سیستم‌ها جهت‌گیری دقیق ماهواره یا فضاپیما را نسبت به زمین یا اجرام آسمانی دیگر تعیین می‌کنند و باعث می‌شوند که وسایل فضایی بتوانند به‌درستی جهت‌گیری خود را حفظ کنند و به‌درستی وظایف خود را انجام دهند، مانند ارسال داده‌ها یا انجام مانورهای دقیق در فضا.
این کاربردهای متنوع نشان می‌دهند که ژیروسکوپ‌ها در بسیاری از صنایع و فناوری‌های پیشرفته نقش حیاتی دارند و توسعه و بهبود آنها می‌تواند تأثیر چشمگیری در کارایی این صنایع داشته باشد.
ژیروسکوپ برای چه مواردی استفاده می‌شود؟
ژیروسکوپ معمولاً برای اندازه‌گیری جهت اجسام استفاده می‌شود. می‌توان از آن برای اندازه‌گیری حرکت زاویه‌ای اجسام متحرک نیز استفاده کرد.
ژیروسکوپ چه چیزی را اندازه‌گیری می‌کند؟
ژیروسکوپ به‌طورکلی نرخ تغییر حرکت زاویه‌ای یا جهت اجسام و تغییر زوایای اجسام متحرک را اندازه‌گیری می‌کند.
آیا ژیروسکوپ می‌تواند برق تولید کند؟
بله. ژیروسکوپ می‌تواند انرژی مکانیکی روتور را به انرژی الکتریکی تبدیل کند.
ژیروسکوپ‌ها چگونه تثبیت می‌شوند؟
ژیروسکوپ‌ها با استفاده از اصل تکانه زاویه‌ای تثبیت می‌شوند. درواقع، برای بازگرداندن ژیروسکوپ متحرک به حالت سکون از یک نیروی مقاومتی استفاده می‌شود.
چه چیزی باعث چرخش ژیروسکوپ می‌شود؟
در غیاب گشتاورهای خارجی، ژیروسکوپ تکانه زاویه‌ای خود را حفظ می‌کند. اعمال گشتاور خارجی در همان جهت یا در جهت مخالف تکانه زاویه‌ای باعث می‌شود ژیروسکوپ سرعت خود را افزایش یا کاهش دهد.
اثر ژیروسکوپی چیست؟
اثر ژیروسکوپی، توانایی (تمایل) جسم دوار برای حفظ جهت ثابت محور چرخش خود است. ژیروسکوپ‌ها در سرعت بالا نسبت به محور تقارن در حال چرخش هستند.
آیا ژیروسکوپ تحت‌تأثیر گرانش است؟
ژیروسکوپ‌ها به دلیل داشتن جرم، تحت‌تأثیر گرانش قرار می‌گیرند؛ اما هرچه سریع‌تر بچرخند، جاذبه تأثیر کمتری روی آنها خواهد داشت.
ژیروسکوپ‌ها چه کاربردی دارند؟
ژیروسکوپ‌ها در قطب‌نماها و خلبانان اتوماتیک در کشتی‌ها و هواگردها، در مکانیسم‌های هدایت اژدرها و در سیستم‌های هدایت اینرسی نصب‌شده در پرتابگرهای فضایی، موشک‌های بالستیک و ماهواره‌های در حال چرخش استفاده می‌شوند.
منابع:
