Vad är ett gyroskop?
Ett gyroskop är ett instrument som används för att upprätthålla eller bevara ett objekts orientering och vinkelhastighet. För att göra detta utnyttjar det principen om bevarande av rotationsmomentets orientering. Gyroskopet är försett med en fritt roterande skiva och kan inta alla möjliga orienteringar samtidigt som dess rotationsaxel förblir oförändrad.
När gyroskopets rotationsskiva snurrar förblir instrumentets rotationsaxel nämligen stabil, även på ett lutande underlag. Allteftersom skivan ökar i hastighet blir även rörelsemomentet större, vilket stabiliserar både gyroskopet och det föremål i vilket det är inbyggt.
Precessionsrörelsen
Om en kraft skulle påverka axeln medan gyroskopet roterar, hamnar det i obalans. Axeln rör sig då långsammare i en konisk rörelse som kallas precessionsrörelse. Gyroskopet fortsätter att rotera, men faller inte.
Gyroskopet och den kinetiska rörelsen
Inom fysik och klassisk mekanik är gyroskopet och den kinetiska rörelsen oskiljaktiga från varandra. Medan det förstnämnda avser en mekanism för att observera rotation och vinkelposition, är det senare en vektorstorhet som används för att bevara just denna rotation. Här kan du läsa allt du behöver veta om gyroskopet och det kinetiska momentet.
Rörelsemomentet
Rörelsemomentet, även kallat vinkelmoment, är en vektorstorhet som har samma riktning och samma riktningsriktning som vinkelhastigheten. För att detta ska vara möjligt måste objektets rotationsaxel också vara dess symmetriaxel.
Från en materiell punkt M till en punkt O är rörelsemomentet lika med rörelsemängdens moment i förhållande till punkten O, enligt Wikipedia. När rörelsemomentet inte förändras förblir rotationsaxeln stabil. Detta kallas bevarandet av rörelsemomentet eller den gyroskopiska effekten.
Den gyroskopiska effekten
För att konkret förstå denna mekanism, ta ett cykelhjul. Håll det med utsträckt arm i navets muttrar. Be någon att snurra hjulet snabbt. Om du försöker luta dig mot det roterande hjulet kommer du att känna ett motstånd. Det är bevarandet av rotationsmomentet som motverkar denna rörelse. Det är den gyroskopiska effekten som håller hjulet i balans. Det är viktigt att notera att den gyroskopiska effekten ökar med rotationshastigheten.
Gyroskopets historia
Det första treaxliga gyroskopet uppfanns av Léon Foucault år 1852. Han är känd för att ha skapat Foucaults pendel. Under ett experiment som handlade om jordens rotation insåg Foucault att hans pendel roterade långsammare än jordens rotation. Detta experiment ledde honom till att konstruera ett instrument som kunde upprätthålla en snabb rotation under en tillräckligt lång tid. Tillsammans med sin medarbetare Forment skapade han gyroskopet. Han insåg också att detta nya instrument kunde peka mot norr och inriktas mot meridianen. Han kallade det gyroskopkompass.
Från slutet av 1800-talet började de första motordrivna gyroskopen dyka upp. Gyrokompasserna används numera för att ange den geografiska norden och inte den magnetiska norden. De ersätter också kompasserna på fartyg. Från och med 1900-talet fanns gyrokompasserna i militära vapen.
Idag används gyroskop även för att upprätthålla stabiliteten hos elektroniska apparater. De finns numera i klockor, men också i smartphones där de har formen av elektromekaniska tröghetsmikrosystem.
Komponenterna i ett gyroskop
Ett mekaniskt gyroskop består i huvudsak av följande delar:
- En roterande skiva i mitten. I mitten av denna skiva ligger gyroskopets tyngdpunkt, utan vilken instrumentet inte kan fungera.
- En rotationsaxel som går genom skivans centrum och pekar i valfri riktning.
- Tre kardanled (roterande fäste som gör att ett föremål kan rotera kring en enda axel) som möjliggör ett treaxligt gyroskop:
- En första som är fäst vid axeln med hjälp av kullager.
- Ett andra är fäst vid den inre axeln
- Ett tredje är fäst vid den yttre ramen
Användningsområden för gyroskopet
Gyroskopet används idag inom flera andra områden än fysiken samt inom många branscher (industri, flyg, oljeindustri etc.). Det används inom:
- Styrning av torpeder och missiler
- Koordinering eller anvisning av svängar i ett flygplan
- Tillverkning av vissa stressbollar som snurror, jojo, vortecons eller spinners
- Stabilisering av kameran vid filmning av ett rörligt objekt
- Konstruktion av motorcyklar, cyklar eller tvåhjuliga fordon i balans
- Konstruktion av radiostyrda helikoptrar och mycket annat
Dessutom används detta instrument även i rymdstationer, ombord på rymdteleskopet Hubble och inom olika andra områden som är förbehållna experter inom fysik.