ژیروسکوپ: تفاوت میان نسخهها
محتوای حذفشده محتوای افزودهشده
ابرابزار برچسب: پیوند بیش از حد به ویکیهای دیگر |
|||
خط ۱:
{{تمیزکاری}}
{{ترجمه}}
[[پرونده:3D Gyroscope.png|بندانگشتی|250px|چپ|
'''چرخشنما'''<ref>"فرهنگستان زبان و ادب فارسی". 1396. Persianacademy.Ir. Accessed December 21 2017. http://www.persianacademy.ir/fa/word/.</ref> یا '''ژیروسکوپ''' چرخ دوّار و پُرسرعتی است که وزن آن بر محور حلقهٔ بیرونی متمرکز است و میتواند آزادانه عمود بر صفحهٔ دَوَران در یک یا چند راستا بچرخد.
'''ژیروسکوپ''' وسیلهای برای اندازهگیری یا حفظ جهت میباشد که از [[اصل بقای تکانه زاویهای|اصل بقای تکانهٔ زاویهای]] استفاده میکند.<ref>"[http://demonstrations.wolfram.com/Gyroscope/ Gyroscope]" by Sándor Kabai, [[Wolfram Demonstrations Project]].</ref> یک ژیروسکوپ مکانیکی همیشه یک چرخ یا دیسک چرخنده با محور آزاد دارد که میتواند در هر جهتی قرار گیرد. رفتار یک ژیروسکوپ مکانیکی نشان دهندهٔ پایستگی ویژگیهای تکانهٔ زاویهای (مقدار انرژی جنبشی و جهت آن به عنوان یک مقدار برداری) است. تغییر این جهت گیری بر اثر گشتاور خارجی بسیار ناچیز است. این به دلیل همان زاویهای بزرگ خود به همراه نرخ زیاد چرخش آن است. چون گشتاور خارجی توسط نگاه داشتن وسیله در یک حلقه کمینه میشود جهت آن تقریباً ثابت میماند، صرفنظر از اینکه سطحی که وسیله روی آن قرار گرفته چقدر حرکت میکند. ژیروسکوپهای با تکنولوژی حالت جامد هم وجود دارند مانند ژیروسکوپهای حلقهٔ لیزری، و ژیروسکوپهای [[فیبر نوری]].▼
▲
کاربردهای ژیروسکوپ شامل هدایت، زمانی که قطبهای مغناطیسی کار نمیکنند (مانند موقعیت تلسکوپ هابل) یا به اندازهٔ کافی دقیق نیستند (مثل [[:en:ICBM|ICBM]]) یا برای پایدارسازی ماشینهای پرنده مثل هلیکوپترهای هدایت شونده توسط رادیو یا [[:en:UAV|UAV]]ها میباشد. به دلیل دقت بالاتر، ژیروسکوپها همچنین در حفظ جهت در معدن کاری تونلها هم به کار میروند.<ref>[http://discovermagazine.com/2009/may/20-things-you-didnt-know-about-tunnels Discover magazine] 20 things you didn't know about tunnels (Number 8).</ref>▼
▲کاربردهای
در تلفنهای همراه نیز ژیروسکوپ کاربرد دارد وتحت عنوان چرخش خودکارصفحه (screen rotation) میتوان آن را فعال کرد
== توصیف و نمودار ==
[[پرونده:Gyroscope wheel-text.png|بندانگشتی|200px|چپ|دیاگرام یک چرخ ژیروسکوپ. عکس العمل نیروها در راستای محور خروجی با رنگ آبی نشان داده شدهاست.]]
در وسایل و
[[پرونده:Gyroscope wheel animation.gif|بندانگشتی|200px|چپ|تصویری متحرک از یک
محور چرخ دوار محور چرخش را تعریف میکند. حلقه داخلی دو درجه آزادی چرخش دارد و محورش هم یک درجه آزادی دارد. روتور برای چرخش به محوری متصل است که همیشه به محور حلقه داخلی عمود است؛ بنابراین روتور سه درجه آزادی چرخش دارد و محورش هم دو درجه دارد. چرخ به نیروی وارد بر محور ورودی با نیروی عکس العمل به محور خروجی پاسخ میدهد.
سطر ۲۰ ⟵ ۲۲:
یک [[:w:en:Flywheel|flywheel]] ژیروسکوپ میچرخد یا مقاومت میکند بسته به اینکه حلقه خارجی در ساختار آزاد یا بسته باشد. مثالهای از وسایل با حلقه خارجی آزاد میتواند ژیروسکوپهای با مرجع جهت(attitude reference gyroscope) باشند که برای اندازهگیری زاویه در راستای سه محور مختصات (غلت و تاب و انحراف سمت) در یک فضاپیما یا هواپیما مورد استفاده قرار میگیرند.
مرکز جرم چرخانه میتواند در یک موقعیت ثابت باشد. چرخانه به صورت همزمان توانایی چرخش به حول یک محور و نیز ارتعاش به حول دو محور دیگر را داراست و بنابراین به جز مقاومت ذاتی اش به دلیل اسپین روتور میتواند
برخی ژیروسکوپها جایگزینهای مکانیکی برای یک یا چند عنصر به کار رفته در این ساختار دارند. برای مثال روتور میتواند در یک سیال معلق شود به جای اینکه به صورت لولا به یک حلقه نصب شود. یک ژیروسکوپ کنترل گشتاور ([[:w:en:Control moment gyroscope|CMG]]) مثالی از یک وسیله با حلقه خارجی ثابت است که بر روی هواپیما با هدف تأمین یا نگهداری یک زاویهٔ وضعیت مناسب یا جهت را با استفاده از نیروی مقاومت
در برخی انواع خاص حلقه خارجی یا معادلش میتواند حذف شود تا چرخانه تنها دو درجه آزادی داشته باشد. در برخی انواع مرکز جرم میتواند از محور نوسان فاصله داشته باشد و بنابراین مرکز جرم و مرکز تعلیق ممکن است یکی نباشد.
== تاریخچه ==
[[پرونده:Foucault's gyroscope.jpg|بندانگشتی|چپ|
اولین ژیروسکوپ شناخته شده توسط یک آلمانی به نام [[یوهان بوهننبرگر]] که اولین بار در سال ۱۸۱۷ دربارهاش نوشت ساخته شدهاست. در ابتدا او آن را «ماشین» نامید.<ref>Johann G. F. Bohnenberger (1817) "Beschreibung einer Maschine zur Erläuterung der Gesetze der Umdrehung der Erde um ihre Axe, und der Veränderung der Lage der letzteren" [Description of a machine for the explanation of the laws of rotation of the Earth around its axis, and of the change of the orientation of the latter] ''Tübinger Blätter für Naturwissenschaften und Arzneikunde'', vol. 3, pages ۷۲–83. Available on-line at: http://www.ion.org/museum/files/File_1.pdf.</ref><ref>The French mathematician Poisson mentions Bohnenberger's gyroscope as early as 1813: Simeon-Denis Poisson (1813) "Mémoire sur un cas particulier du mouvement de rotation des corps pesans" [Memoir on a special case of rotational movement of massive bodies], ''Journal de l'École Polytechnique'', vol. 9, pages ۲۴۷–262. Available on-line at: http://www.ion.org/museum/files/File_2.pdf.</ref> ژیروسکوپ بوهننبرگر بر اساس یک کرهٔ بزرگ چرخنده ساخته شد.<ref>A photograph of Bohnenberger's gyroscope is available on-line here: http://www.ion.org/museum/item_view.cfm?cid=5&scid=12&iid=24.</ref> در سال ۱۸۳۲ [[والتر جانسون]] آمریکایی ژیروسکوپی ساخت که براساس دیسک چرخنده کار میکرد.<ref>Walter R. Johnson (January 1832) "Description of an apparatus called the rotascope for exhibiting several phenomena and illustrating certain laws of rotary motion", ''The American Journal of Science and Art'', 1st series, vol. 21, no. 2, pages ۲۶۵–280. Available on-line at: http://books.google.com/books?id=BjwPAAAAYAAJ&pg=PA265&lpg=PR5&dq=Johnson+rotascope&ie=ISO-8859-1&output=html.</ref><ref>Illustrations of Walter R. Johnson's gyroscope ("rotascope") appear in: Board of Regents, ''Tenth Annual Report of the Board of Regents of the Smithsonian Institution.... '' (Washington, D.C. : Cornelius Wendell, 1856), pages ۱۷۷–178. Available on-line at: http://books.google.com/books?id=fEyT4sTd7ZkC&pg=PA178&dq=Johnson+rotascope&ie=ISO-8859-1&output=html.</ref> ریاضیدان فرانسوی [[پیر لاپلاس]] زمانی که در دانشگاه [[اکول پلیتکنیک]] کار میکرد این ماشین را به عنوان ابزار کمک آموزشی پیشنهاد کرد و به این شکل این وسیله در معرض توجه[//en.wikipedia.org/wiki/Léon_Foucault| Léon Foucault] قرار گرفت.<ref>[http://www.ion.org/museum/item_view.cfm?cid=5&scid=12&iid=24 Wagner JF, "The Machine of Bohnenberger", The Institute of Navigation]</ref> در سال۱۸۵۲ Foucault که در حال انجام یک آزمایش برای دیدن چرخش زمین بود، به این وسیله نام جدید خود را داد.<ref>L. Foucault (1852) "Sur les phénomènes d’orientation des corps tournants entraînés par un axe fixe à la surface de la terre", ''Comptes rendus hebdomadaires des séances de l’Académie des Sciences (Paris)'', vol. 35, pages ۴۲۴–427. Available on-line (in French): http://www.bookmine.org/memoirs/pendule.html. Scroll down to "Sur les phénomènes d’orientation..."</ref><ref>Circa 1852, Friedrich Fessel, a German mechanic and former secondary school teacher, independently developed a gyroscope. See: '''(1)''' Julius Plücker (September 1853) "Über die Fessel'sche rotationsmachine", ''Annalen der Physik'', vol. 166, no. 9, pages ۱۷۴–۱۷۷; '''(۲)''' Julius Plücker (October 1853) "Noch ein wort über die Fessel'sche rotationsmachine", ''Annalen der Physik'', vol. 166, no. 10, pages ۳۴۸–۳۵۱; '''(۳)''' Charles Wheatstone (1864) "On Fessel's gyroscope", ''Proceedings of the Royal Society of London'', vol. 7, pages ۴۳–48. Available on-line at: http://books.google.com/books?id=CtGEAAAAIAAJ&pg=RA1-PA307&lpg=RA1-PA307&dq=Fessel+gyroscope&source=bl&ots=ZP0mYYrp_d&sig=DGmUeU4MC8hAMuBtDSQn4GpAyWc&hl=en&ei=N4s9SqOaM5vKtgf62vUH&sa=X&oi=book_result&ct=result&resnum=9.</ref>
اگرچه این آزمایش به دلیل وجود [[اصطکاک]] ناموفق بود. در واقع اصطکاک زمان هر دور را به ۸ تا ۱۰ دقیقه محدود میکرد که زمان بسیار کوتاهی برای مشاهدهٔ یک حرکت قابل توجه بود.
در سالهای دهه ۱۹۶۰ موتورهای الکتریکی این مفهوم را امکانپذیر کردند و این به ساخته شدن اولین نمونههای
ژیروسکوپهای [//en.wikipedia.org/wiki/Microelectromechanical_systems| MEMS] ایده پاندولهای Foucault را گرفته و از یک عنصر ارتعاش دهنده به نام[[Micro Electro Mechanical System]] استفاده میکنند. ژیروسکوپهای بر پایهٔ MEMS اولین بار توسط [[System Donner Inertial SDI]]
در اولین دهههای قرن بیستم، سایر مخترعان به صورت ناموفق تلاش کردند که از ژیروسکوپ به عنوان پایهای برای جعبه سیاه سیستمهای ترابری به وسیلهٔ ساختن یک پایهٔ پایدار که بر اساس آن اندازهگیری دقیق شتاب امکانپذیر باشد (به منظور رفع نیاز برای رویت ستارگان برای محاسبهٔ موقعیت) استفاده کنند. اصول مشابهی بعداً در ساخت سیستمهای [//en.wikipedia.org/wiki/Inertial_guidance_system| inertial guidance] برای موشکهای بالستیک مورد استفاده قرار گرفت.<ref>MacKenzie, pp. 40–42.</ref>
== ویژگیها ==
[[پرونده:Gyroscope operation.gif|بندانگشتی|چپ|یک
یک ژیروسکوپ رفتارهایی از جمله [[حرکت تقدیمی]] و [[رقص محوری]] {{به انگلیسی|nutation}} را نشان میدهد. ژیروسکوپها میتوانند در ساخت
اثرات ژیروسکوپها در [[بومرنگ]]ها و [[یویو]]ها مورد استفاده قرار میگیرد. بسیاری از وسایل چرخندهٔ دیگر مثل [[چرخ طیار]] {{به انگلیسی|flywheel}} هم رفتار ژیروسکوپی دارند اگرچه خاصیت
معادله اساسی که رفتار یک
:<math>\boldsymbol\tau={{d \mathbf{L}}\over {dt}}={{d(I\boldsymbol\omega)} \over {dt}}=I\boldsymbol\alpha</math>
سطر ۵۲ ⟵ ۵۴:
Precession را میتوان با قرار دادن یک ژیروسکوپ چرخان به طوری که در یک طرف است بسته شده باشد و طرف دیگرش تقریباً آزاد باشد و محورش (بدون اصطکاک به طرف precession) بچرخد نشان داد. در این حالت ژیروسکوپ به نظر میرسد که بر جاذبه غلبه میکند و محورش افقی باقی میماند. زمانی که یک طرف محور آزاد و بی تکیه گاه است و طرف دیگرش به آرامی دایرهای را در صفحهای موازی افقی میپماید. این پدیده با معادله بالا توضیح داده میشود.
گشتاور وارد بر ژیروسکوپ از دو منبع تأمین میشود. نیروی جاذبه که
:<math>\tau = \mathit{\Omega}_{\mathrm{P}} L \sin\theta\!</math>
سطر ۶۰ ⟵ ۶۲:
== ژیروستات ==
ژیروستات نوعی دیگر از
== حق ثبت آمریکا ==
سطر ۶۸ ⟵ ۷۰:
{{wikibooks|High School Physics/Rotational Motion}}
* [//en.wikipedia.org/wiki/Aerotrim| Aerotrim]
* [//en.wikipedia.org/wiki/Anti-rolling_gyro| Anti-rolling gyro]
* [//en.wikipedia.org/wiki/Balancing_machine| Balancing machine]
* [//en.wikipedia.org/wiki/Countersteering| Countersteering]
سطر ۸۴ ⟵ ۸۶:
== مطالعات بیشتر ==
* [//en.wikipedia.org/wiki/Felix_Klein| Felix Klein] and [//en.wikipedia.org/wiki/Arnold_Sommerfeld| Arnold Sommerfeld], "''Über die Theorie des Kreisels''" (Tr. , About the theory of the gyroscope). Leipzig, Berlin, B.G. Teubner,
* Audin, M. ''Spinning Tops: A Course on Integrable Systems''. New York: Cambridge University Press, 1996.
|