Gyroskop - Gyroscope

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Ein Gyroskop
Ein Gyroskop in Betrieb. Beachten Sie die Rotationsfreiheit in allen drei Achsen. Der Rotor behält seine Drehrichtungsrichtung unabhängig von der Ausrichtung des Außenrahmens bei.

Ein Gyroskop (aus dem Altgriechischen γῦρος gûros , "Kreis" und σκοπέω skopéō , "schauen") ist ein Gerät zum Messen oder Aufrechterhalten von Orientierung und Winkelgeschwindigkeit . Es ist ein sich drehendes Rad oder eine sich drehende Scheibe, bei der die Drehachse (Drehachse) frei ist, eine Ausrichtung für sich selbst anzunehmen. Beim Drehen wird die Ausrichtung dieser Achse durch Kippen oder Drehen der Halterung entsprechend der Erhaltung des Drehimpulses nicht beeinflusst .

Gyroskope basierend auf anderen Funktionsprinzipien besteht auch, wie der Mikrochip-Packaged MEMS - Gyroskope in elektronischen Geräten zu finden (manchmal auch als Gyrometer , Festkörper-) Ringlaser , faseroptischen Kreisel , und die extrem empfindlich quantum Gyroskop .

Zu den Anwendungen von Gyroskopen gehören Trägheitsnavigationssysteme wie das Hubble-Teleskop oder der Stahlrumpf eines untergetauchten U-Bootes. Aufgrund ihrer Präzision werden Gyroskope auch in Gyrotheodoliten verwendet , um die Richtung im Tunnelabbau aufrechtzuerhalten. Gyroskope können verwendet werden , zu konstruieren , Kreiselkompasse , die Komplement oder Magnetkompasse ersetzen (in Schiffen, Flugzeugen und Raumfahrzeugen, Fahrzeugen im allgemeinen), in der Stabilität (Fahrräder, Motorräder und Schiffe) zu unterstützen , oder als Teil eines Trägheitsnavigationssystems verwendet werden.

MEMS-Gyroskope sind in einigen Unterhaltungselektronikgeräten wie Smartphones beliebt.

Beschreibung und Diagramm

Diagramm eines Kreiselrades. Reaktionspfeile um die Ausgangsachse (blau) entsprechen den um die Eingangsachse (grün) ausgeübten Kräften und umgekehrt.

Ein Gyroskop ist ein Instrument, das aus einem Rad besteht, das in zwei oder drei Kardanringen montiert ist und schwenkbare Stützen bietet, damit sich das Rad um eine einzige Achse drehen kann. Ein Satz von drei Kardanringen, von denen einer mit orthogonalen Schwenkachsen auf dem anderen montiert ist, kann verwendet werden, um einem am innersten Kardanring montierten Rad eine Ausrichtung zu ermöglichen, die unabhängig von der räumlichen Ausrichtung seines Trägers bleibt.

Bei einem Gyroskop mit zwei Kardanringen wird der äußere Kardanring, bei dem es sich um den Gyroskoprahmen handelt, so montiert, dass er um eine Achse in seiner eigenen Ebene schwenkt, die durch den Träger bestimmt wird. Dieser äußere Kardanring besitzt einen Rotationsfreiheitsgrad und seine Achse besitzt keinen. Der zweite Kardanring, der innere Kardanring, ist im Gyroskoprahmen (äußerer Kardanrahmen) so montiert, dass er um eine Achse in seiner eigenen Ebene schwenkt, die immer senkrecht zur Schwenkachse des Gyroskoprahmens (äußerer Kardanrahmen) ist. Dieser innere Kardanring hat zwei Rotationsfreiheitsgrade.

Die Achse des sich drehenden Rades definiert die Drehachse. Der Rotor muss sich um eine Achse drehen, die immer senkrecht zur Achse des inneren Kardanrahmens verläuft. Der Rotor besitzt also drei Rotationsfreiheitsgrade und seine Achse zwei. Das Rad reagiert auf eine auf die Eingangsachse ausgeübte Kraft durch eine Reaktionskraft auf die Ausgangsachse.

Das Verhalten eines Gyroskops kann am einfachsten unter Berücksichtigung des Vorderrads eines Fahrrads beurteilt werden. Wenn das Rad von der Vertikalen weg geneigt ist, so dass sich die Oberseite des Rads nach links bewegt, dreht sich auch die vordere Felge des Rads nach links. Mit anderen Worten erzeugt eine Drehung um eine Achse des Drehrads eine Drehung der dritten Achse.

Ein Gyroskopschwungrad rollt oder widersteht um die Ausgangsachse, je nachdem, ob die Ausgangskardanringe frei oder fest konfiguriert sind. Beispiele einiger Freiabtriebs kardanischen Vorrichtungen würden die sein Lagereferenz Gyroskope zu sense oder messen , um die Nick-, Roll- und Gierlagewinkel in einem Raumfahrzeug oder Luftfahrzeug verwendet.

Animation eines Kreiselrades in Aktion

Der Schwerpunkt des Rotors kann in einer festen Position liegen. Der Rotor dreht sich gleichzeitig um eine Achse und kann um die beiden anderen Achsen schwingen. Er kann sich frei in jede Richtung um den Fixpunkt drehen (mit Ausnahme seines inhärenten Widerstands, der durch Rotordrehung verursacht wird). Einige Gyroskope haben mechanische Äquivalente, die eines oder mehrere der Elemente ersetzen. Zum Beispiel kann der sich drehende Rotor in einer Flüssigkeit aufgehängt sein, anstatt in Kardanrahmen montiert zu sein. Ein Steuermomentgyroskop (CMG) ist ein Beispiel für eine kardanische Vorrichtung mit fester Leistung, die bei Raumfahrzeugen verwendet wird, um einen gewünschten Lagewinkel oder eine gewünschte Richtungsrichtung unter Verwendung der gyroskopischen Widerstandskraft zu halten oder aufrechtzuerhalten.

In einigen speziellen Fällen kann der äußere Kardanring (oder sein Äquivalent) weggelassen werden, so dass der Rotor nur zwei Freiheitsgrade hat. In anderen Fällen kann der Schwerpunkt des Rotors von der Schwingungsachse versetzt sein, und somit können der Schwerpunkt des Rotors und der Aufhängungsschwerpunkt des Rotors nicht zusammenfallen.

Geschichte

Gyroskop 1852 von Léon Foucault erfunden. Replik von Dumoulin-Froment für die Exposition universelle 1867. Nationales Konservatorium für Kunst und Handwerk , Paris.

Im Wesentlichen ist ein Gyroskop ein Oberteil, das mit einem Paar Kardanringe kombiniert ist . Tops wurden in vielen verschiedenen Zivilisationen erfunden, darunter im klassischen Griechenland, in Rom und in China. Die meisten davon wurden nicht als Instrumente eingesetzt.

Das erste bekannte Gerät, das einem Gyroskop ähnlich ist (das "Whirling Speculum" oder "Serson's Speculum"), wurde 1743 von John Serson erfunden . Es wurde als Wasserwaage verwendet, um den Horizont bei nebligen oder nebligen Bedingungen zu lokalisieren.

Das erste Instrument, das eher einem tatsächlichen Gyroskop ähnelte, wurde von Johann Bohnenberger aus Deutschland hergestellt, der 1817 zum ersten Mal darüber schrieb. Zuerst nannte er es die "Maschine". Bohnenbergers Maschine basierte auf einer rotierenden massiven Kugel. 1832 entwickelte der Amerikaner Walter R. Johnson ein ähnliches Gerät, das auf einer rotierenden Scheibe basierte. Der französische Mathematiker Pierre-Simon Laplace , der an der École Polytechnique in Paris arbeitet, empfahl die Maschine als Lehrmittel und machte Léon Foucault darauf aufmerksam . 1852 verwendete Foucault es in einem Experiment, bei dem es um die Rotation der Erde ging. Es war Foucault, der dem Gerät in einem Experiment seinen modernen Namen gab , um die Erdrotation (griechische Gyros , Kreis oder Rotation) zu sehen (griechisch skopeein , um zu sehen ), die in den 8 bis 10 Minuten sichtbar war, bevor die Reibung den sich drehenden Rotor verlangsamte .

In den 1860er Jahren ermöglichte das Aufkommen von Elektromotoren, dass sich ein Gyroskop unbegrenzt drehen konnte. dies den ersten Prototypen führte Überschrift Indikatoren und eine eher komplizierte Vorrichtung, die gyrocompass . Der erste funktionelle Kreiselkompass wurde 1904 vom deutschen Erfinder Hermann Anschütz-Kaempfe patentiert . Der Amerikaner Elmer Sperry folgte später in diesem Jahr mit seinem eigenen Entwurf, und andere Nationen erkannten bald die militärische Bedeutung der Erfindung - in einer Zeit, in der die Seefahrt das wichtigste Maß für die militärische Macht war - und gründeten ihre eigenen Gyroskopindustrien. Die Sperry Gyroscope Company expandierte schnell, um auch Flugzeug- und Marinestabilisatoren anzubieten, und andere Gyroskopentwickler folgten diesem Beispiel.

1917 schuf die Chandler Company aus Indianapolis das "Chandler Gyroscope", ein Spielzeuggyroskop mit Zugschnur und Sockel. Chandler produzierte das Spielzeug weiter, bis das Unternehmen von TEDCO Inc. gekauft wurde. Das Ausrüstungsspielzeug wird noch heute von TEDCO hergestellt.

In den ersten Jahrzehnten des 20. Jahrhunderts versuchten andere Erfinder (erfolglos), Gyroskope als Grundlage für frühe Black-Box- Navigationssysteme zu verwenden, indem sie eine stabile Plattform schufen, von der aus genaue Beschleunigungsmessungen durchgeführt werden konnten (um die Notwendigkeit von Sternen zu umgehen) Sichtungen zur Positionsberechnung). Ähnliche Prinzipien wurden später bei der Entwicklung von Trägheitsnavigationssystemen für ballistische Raketen angewendet .

Während des Zweiten Weltkriegs wurde das Gyroskop zur Hauptkomponente für Flugzeuge und Flugabwehrvisiere. Nach dem Krieg führte der Wettlauf um die Miniaturisierung von Gyroskopen für Lenkflugkörper und Waffennavigationssysteme zur Entwicklung und Herstellung sogenannter Zwerggyroskope mit einem Gewicht von weniger als 85 g und einem Durchmesser von etwa 2,5 cm. . Einige dieser miniaturisierten Gyroskope könnten in weniger als 10 Sekunden eine Geschwindigkeit von 24.000 Umdrehungen pro Minute erreichen.

Gyroskope sind weiterhin eine technische Herausforderung. Zum Beispiel müssen die Achslager extrem genau sein. Eine geringe Reibung wird absichtlich in die Lager eingebracht, da sonst eine Genauigkeit von besser als einem Zoll (2,5 nm) erforderlich wäre.

Dreiachsige MEMS-basierte Gyroskope werden auch in tragbaren elektronischen Geräten wie Tablets , Smartphones und Smartwatches verwendet . Dies erhöht die 3-Achsen-Beschleunigungserfassungsfähigkeit, die bei früheren Gerätegenerationen verfügbar ist. Zusammen bieten diese Sensoren eine 6-Komponenten-Bewegungserfassung. Beschleunigungsmesser für X-, Y- und Z-Bewegung sowie Gyroskope zur Messung des Ausmaßes und der Rotationsgeschwindigkeit im Raum (Rollen, Neigen und Gieren). Einige Geräte enthalten zusätzlich ein Magnetometer , um absolute Winkelmessungen relativ zum Erdmagnetfeld bereitzustellen. Neuere MEMS-basierte Trägheitsmesseinheiten enthalten bis zu neun Sensorachsen in einem einzigen integrierten Schaltkreispaket und bieten eine kostengünstige und weit verbreitete Bewegungserfassung.

Gyroskopische Prinzipien

Alle sich drehenden Objekte haben gyroskopische Eigenschaften. Die Haupteigenschaften, die ein Objekt bei jeder Kreiselbewegung erfahren kann, sind Steifheit im Raum und Präzession .

Starrheit im Raum

Die Starrheit im Raum beschreibt das Prinzip, dass ein Gyroskop in der festen Position auf der Ebene bleibt, in der es sich dreht, ohne von der Erdrotation beeinflusst zu werden. Zum Beispiel ein Fahrradrad.

Quelle

Präzession

Ein einfacher Fall von Präzession, auch als stetige Präzession bekannt, kann durch die folgende Beziehung zum Moment beschrieben werden:

wobei Präzession darstellt, durch Spin dargestellt wird, der Nutationswinkel ist und Trägheit entlang seiner jeweiligen Achse darstellt. Diese Beziehung gilt nur, wenn das Moment entlang der Y- und Z-Achse gleich 0 ist.

Die Gleichung kann weiter reduziert werden, indem festgestellt wird, dass die Winkelgeschwindigkeit entlang der z-Achse gleich der Summe aus Präzession und Spin ist : , wobei die Winkelgeschwindigkeit entlang der z-Achse darstellt.

oder

Die gyroskopische Präzession wird durch Drehmoment induziert. Beschrieben als die Änderungsrate des Drehimpulses und der Winkelgeschwindigkeit, die durch das gleiche angelegte Drehmoment erzeugt wurde. Dieses physikalische Phänomen führt zu den scheinbar unmöglichen dynamischen Ereignissen. Zum Beispiel ein Kreisel. Dieser Kreiselprozess wird unter vielen Luft- und Raumfahrtbedingungen wie Flugzeugen und Hubschraubern genutzt, um sie in die gewünschte Ausrichtung zu führen.

Fahrradrad Demonstration

Walter Lewin, verantwortlich für die Einführung der Bike Wheel Demonstration in einem seiner Vorträge am MIT.

Eine Demonstration wurde von Walter Lewin während eines seiner Vorträge am MIT mit einem Motor, einem vertikal befestigten Seil und einem Fahrradrad durchgeführt. Diese Präsentation wird häufig neu erstellt, um die Eigenschaften dieses Kreiselverhaltens anzuzeigen. Das Fahrradrad wird unter Verwendung des Motors gedreht, wenn das Rad am Seil befestigt ist. Das Rad behält einen senkrechten Winkel in Bezug auf das Seil bei, wobei eine kontinuierliche Drehung in Richtung der Raddrehung erfolgt. Wenn das Fahrradrad langsamer wird, geht der senkrechte Winkel des Fahrradrads verloren und seine Drehzahl nimmt ab, bis das Rad in Ruhe fällt, wobei die Stange des Fahrradrads mit dem angebrachten Seil übereinstimmt.

Externe Links: Vorlesung Lecture Notes

Zeitgemäße Verwendung

Steadicam

Während der Dreharbeiten zu Return of the Jedi wurde ein Steadicam- Rig in Verbindung mit zwei Gyroskopen zur zusätzlichen Stabilisierung eingesetzt, um die Hintergrundplatten für die Verfolgungsjagd mit dem Speeder-Bike zu filmen . Der Erfinder von Steadicam, Garrett Brown, bediente die Aufnahme, ging durch einen Redwood-Wald und ließ die Kamera mit einem Bild pro Sekunde laufen. Bei einer Projektion von 24 Bildern pro Sekunde erweckte es den Eindruck, mit gefährlichen Geschwindigkeiten durch die Luft zu fliegen.

Kursanzeige

Der Richtungsanzeiger oder Richtungskreisel hat eine Drehachse, die horizontal ausgerichtet ist und nach Norden zeigt. Im Gegensatz zu einem Magnetkompass sucht er nicht nach Norden. Wenn es beispielsweise in einem Verkehrsflugzeug verwendet wird, driftet es langsam von Norden weg und muss regelmäßig neu ausgerichtet werden, wobei ein Magnetkompass als Referenz verwendet wird.

Kreiselkompass

Im Gegensatz zu einem Richtungskreisel oder einer Richtungsanzeige sucht ein Kreiselkompass nach Norden. Es erfasst die Rotation der Erde um ihre Achse und sucht eher den wahren Norden als den magnetischen Norden. Kreiselkompasse verfügen normalerweise über eine eingebaute Dämpfung, um ein Überschwingen beim Neukalibrieren aufgrund plötzlicher Bewegungen zu verhindern.

Beschleunigungsmesser

Durch Bestimmen der Beschleunigung eines Objekts und Integrieren über die Zeit kann die Geschwindigkeit des Objekts berechnet werden. Durch erneutes Integrieren kann die Position bestimmt werden. Der einfachste Beschleunigungsmesser ist ein Gewicht, das sich frei horizontal bewegen kann und an einer Feder und einer Vorrichtung zum Messen der Spannung in der Feder angebracht ist. Dies kann verbessert werden, indem eine Gegenkraft eingeführt wird, um das Gewicht zurückzudrücken und die Kraft zu messen, die erforderlich ist, um zu verhindern, dass sich das Gewicht bewegt. Ein komplizierteres Design besteht aus einem Gyroskop mit einem Gewicht auf einer der Achsen. Das Gerät reagiert auf die Kraft, die das Gewicht beim Beschleunigen erzeugt, indem es diese Kraft integriert, um eine Geschwindigkeit zu erzeugen.

Variationen

Gyrostat

Ein Gyrostat besteht aus einem massiven Schwungrad, das in einem festen Gehäuse verborgen ist. Sein Verhalten auf einem Tisch oder mit verschiedenen Arten der Aufhängung oder Abstützung dient dazu, die merkwürdige Umkehrung der gewöhnlichen Gesetze des statischen Gleichgewichts aufgrund des gyrostatischen Verhaltens des inneren unsichtbaren Schwungrads bei schneller Drehung zu veranschaulichen. Der erste Gyrostat wurde von Lord Kelvin entworfen , um den komplizierteren Bewegungszustand eines sich drehenden Körpers zu veranschaulichen, wenn er frei in einer horizontalen Ebene herumlaufen kann, wie ein auf dem Bürgersteig gedrehtes Dach oder ein Fahrrad auf der Straße. Kelvin nutzte auch Gyrostaten, um mechanische Theorien über die Elastizität der Materie und des Äthers zu entwickeln. In der modernen Kontinuumsmechanik gibt es eine Vielzahl dieser Modelle, die auf Ideen von Lord Kelvin basieren. Sie stellen eine bestimmte Art von Cosserat-Theorien dar (erstmals vorgeschlagen von Eugène Cosserat und François Cosserat ), die zur Beschreibung künstlich hergestellter intelligenter Materialien sowie anderer komplexer Medien verwendet werden können. Eines von ihnen, das sogenannte Kelvin-Medium, hat die gleichen Gleichungen wie magnetische Isolatoren in der Nähe des Zustands der magnetischen Sättigung in der Annäherung an die Quasimagnetostatik.

In der heutigen Zeit wird das Gyrostat-Konzept bei der Entwicklung von Lageregelungssystemen für die Umlaufbahn von Raumfahrzeugen und Satelliten verwendet. Zum Beispiel hatte die Raumstation Mir drei Paare von intern montierten Schwungrädern, die als Gyrodynes oder Steuermomentgyros bekannt sind .

In der Physik gibt es mehrere Systeme, deren dynamische Gleichungen den Bewegungsgleichungen eines Gyrostaten ähneln. Beispiele umfassen einen festen Körper mit einem mit einer nichtviskosen gefüllten Hohlraum, inkompressiblen, homogener Flüssigkeit, die statischen Gleichgewichtskonfiguration eines elastischen Stab in betont elastica Theorie die Polarisationsdynamik eines Lichtimpulses Ausbreitung durch ein nichtlineares Medium, das, Lorenz - System in der Chaostheorie und die Bewegung eines Ions in einem Penning-Trap- Massenspektrometer.

MEMS-Gyroskop

Ein Gyroskop für mikroelektromechanische Systeme (MEMS) ist ein miniaturisiertes Gyroskop, das in elektronischen Geräten zu finden ist. Es nimmt die Idee des Foucault-Pendels auf und verwendet ein vibrierendes Element. Diese Art von Gyroskop wurde zuerst in militärischen Anwendungen verwendet, wurde aber seitdem zur zunehmenden kommerziellen Verwendung eingesetzt.

HRG

Das halbkugelförmige Resonatorkreisel (HRG), auch Weinglaskreisel oder Pilzkreisel genannt, verwendet eine dünne halbkugelförmige Festkörperschale, die von einem dicken Stiel verankert wird. Diese Schale wird durch elektrostatische Kräfte, die von Elektroden erzeugt werden, die direkt auf getrennten Quarzglasstrukturen abgeschieden werden, die die Schale umgeben, zu einer Biegesonanz angetrieben. Der gyroskopische Effekt ergibt sich aus der Trägheitseigenschaft der stehenden Biegewellen.

VSG oder CVG

Ein Vibrationsstrukturgyroskop (VSG), auch Coriolis-Vibrationsgyroskop (CVG) genannt, verwendet einen Resonator aus verschiedenen Metalllegierungen. Es nimmt eine Position zwischen dem kostengünstigen MEMS-Gyroskop mit niedriger Genauigkeit und dem Glasfaserkreisel mit höherer Genauigkeit und höheren Kosten ein. Die Genauigkeitsparameter werden durch die Verwendung von Materialien mit geringer Eigendämpfung, Resonatorvakuumierung und digitaler Elektronik erhöht, um die temperaturabhängige Drift und Instabilität der Steuersignale zu verringern.

Hochwertige Weinglasresonatoren werden für präzise Sensoren wie HRG eingesetzt.

DTG

Ein dynamisch abgestimmtes Gyroskop (DTG) ist ein Rotor, der an einem Universalgelenk mit Biegezapfen aufgehängt ist. Die Biegefedersteifigkeit ist unabhängig von der Schleudergeschwindigkeit. Die dynamische Trägheit (aufgrund des gyroskopischen Reaktionseffekts) des Kardanrahmens liefert jedoch eine negative Federsteifigkeit proportional zum Quadrat der Schleuderdrehzahl (Howe und Savet, 1964; Lawrence, 1998). Daher heben sich bei einer bestimmten Geschwindigkeit, die als Abstimmgeschwindigkeit bezeichnet wird, die beiden Momente gegenseitig auf und befreien den Rotor vom Drehmoment, eine notwendige Bedingung für ein ideales Gyroskop.

Ringlaserkreisel

Ein Ringlasergyroskop stützt sich auf den Sagnac-Effekt , um die Rotation zu messen, indem das sich verschiebende Interferenzmuster eines in zwei Hälften geteilten Strahls gemessen wird, wenn sich die beiden Hälften in entgegengesetzte Richtungen um den Ring bewegen.

Als die Boeing 757 -200 1983 in Dienst gestellt wurde, war sie mit dem ersten geeigneten Ringlasergyroskop ausgestattet. Die Entwicklung dieses Gyroskops dauerte viele Jahre, und die experimentellen Modelle wurden mehrfach geändert, bevor sie von den Ingenieuren und Managern von Honeywell und Boeing als produktionsbereit eingestuft wurden . Es war ein Ergebnis des Wettbewerbs mit mechanischen Gyroskopen, der sich weiter verbesserte. Ausgerechnet Honeywell entschied sich für die Entwicklung des Laserkreisels, weil sie die einzigen waren, die keine erfolgreiche Reihe mechanischer Gyroskope hatten, sodass sie nicht gegen sich selbst antreten konnten. Das erste Problem, das sie lösen mussten, war, dass bei Laserkreiseln Rotationen unter einem bestimmten Minimum aufgrund eines als "Lock-In" bezeichneten Problems überhaupt nicht erkannt werden konnten, bei dem die beiden Strahlen wie gekoppelte Oszillatoren wirken und die Frequenzen des anderen in Richtung Konvergenz ziehen und daher keine Ausgabe. Die Lösung bestand darin, den Kreisel schnell zu schütteln, damit er sich nie festsetzte. Paradoxerweise führte eine zu regelmäßige Dithering-Bewegung zu einer Anhäufung kurzer Einrastperioden, wenn sich das Gerät an den Enden seiner Schüttelbewegung in Ruhe befand. Dies wurde durch Anlegen eines zufälligen weißen Rauschens an die Vibration geheilt . Das Material des Blocks wurde aufgrund von Heliumlecks ebenfalls von Quarz auf ein neues Glaskeramik- Cer-Vit von Owens Corning umgestellt .

Glasfaserkreisel

Ein faseroptisches Gyroskop nutzt auch die Interferenz von Licht, um mechanische Rotation zu erfassen. Die zwei Hälften des geteilten Strahls bewegen sich in einer Spule aus Glasfaserkabel mit einer Länge von bis zu 5 km in entgegengesetzte Richtungen . Wie das Ringlasergyroskop nutzt es den Sagnac-Effekt .

Londoner Moment

Ein Londoner Momentgyroskop stützt sich auf das quantenmechanische Phänomen, bei dem ein sich drehender Supraleiter ein Magnetfeld erzeugt, dessen Achse genau mit der Drehachse des Kreiselrotors ausgerichtet ist. Ein Magnetometer bestimmt die Ausrichtung des erzeugten Feldes, das interpoliert wird , um die Drehachse zu bestimmen. Gyroskope dieses Typs können äußerst genau und stabil sein. Zum Beispiel haben diejenigen, die im Schwerkraftsonden-B- Experiment verwendet wurden, Änderungen in der Ausrichtung der Kreisel-Spinachse auf besser als 0,5 Millisekunden (1,4 × 10 –7 Grad oder etwa) gemessen 2,4 × 10 –9  Radian ) über einen Zeitraum von einem Jahr. Dies entspricht einem Winkelabstand von der Breite eines menschlichen Haares aus einer Entfernung von 32 Kilometern.

Der GP-B-Kreisel besteht aus einer nahezu perfekten kugelförmigen rotierenden Masse aus Quarzglas , die einen dielektrischen Träger für eine dünne Schicht aus supraleitendem Niobmaterial bietet . Um die bei herkömmlichen Lagern auftretende Reibung zu beseitigen, wird die Rotoranordnung durch das elektrische Feld von sechs Elektroden zentriert. Nach dem anfänglichen Hochdrehen durch einen Heliumstrahl, der den Rotor auf 4.000 U / min bringt , wird das polierte Gyroskopgehäuse in ein Ultrahochvakuum evakuiert, um den Luftwiderstand am Rotor weiter zu verringern. Vorausgesetzt, die Aufhängungselektronik bleibt mit Strom versorgt, ermöglicht die extreme Rotationssymmetrie , mangelnde Reibung und geringer Luftwiderstand, dass der Drehimpuls des Rotors ihn etwa 15.000 Jahre lang dreht.

Ein empfindlicher DC-SQUID , der Änderungen von nur einem Quantum oder etwa 2 × 10 –15 Wb unterscheiden kann, wird zur Überwachung des Gyroskops verwendet. Eine Präzession oder Neigung in der Ausrichtung des Rotors bewirkt, dass sich das Magnetfeld des Londoner Moments relativ zum Gehäuse verschiebt. Das sich bewegende Feld durchläuft eine am Gehäuse befestigte supraleitende Aufnahmeschleife, die einen kleinen elektrischen Strom induziert. Der Strom erzeugt eine Spannung über einem Nebenschlusswiderstand, die von einem Mikroprozessor in sphärische Koordinaten aufgelöst wird. Das System ist so ausgelegt, dass das Lorentz-Drehmoment am Rotor minimiert wird.

Andere Beispiele

Hubschrauber

Der Hauptrotor eines Hubschraubers wirkt wie ein Gyroskop. Seine Bewegung wird durch das Prinzip der gyroskopischen Präzession beeinflusst, bei dem es sich um das Konzept handelt, dass eine auf ein sich drehendes Objekt ausgeübte Kraft ungefähr 90 Grad später eine maximale Reaktion zeigt. Die Reaktion kann von 90 Grad abweichen, wenn andere stärkere Kräfte im Spiel sind. Um die Richtung zu ändern, müssen Hubschrauber den Nickwinkel und den Anstellwinkel anpassen.

Gyro X.

Ein Prototyp eines Fahrzeugs, das 1967 von Alex Tremulis und Thomas Summers entwickelt wurde. Das Auto nutzt die Kreiselpräzession, um auf zwei Rädern zu fahren. Eine Baugruppe bestehend aus einem Schwungrad, das in einem kardanischen Gehäuse unter der Motorhaube des Fahrzeugs montiert war, fungierte als großes Gyroskop. Das Schwungrad wurde durch Hydraulikpumpen gedreht, wodurch ein Kreiseleffekt auf das Fahrzeug erzeugt wurde. Ein Präzessionsstempel war für das Drehen des Gyroskops verantwortlich, um die Richtung der Präzessionskraft zu ändern, um allen Kräften entgegenzuwirken, die das Fahrzeugungleichgewicht verursachen. Der einzigartige Prototyp befindet sich jetzt im Lane Motor Museum in Nashville, Tennessee.

Unterhaltungselektronik

Ein digitales Gyroskopmodul, das an eine Arduino Uno- Karte angeschlossen ist

Gyroskope werden nicht nur in Kompassen, Flugzeugen, Computer-Zeigegeräten usw. verwendet, sondern auch in der Unterhaltungselektronik. Die erste Verwendung oder Anwendung des Gyroskops in der Unterhaltungselektronik wurde von Steve Jobs im Apple iPhone populär gemacht .

Da das Gyroskop die Berechnung von Orientierung und Rotation ermöglicht, haben Designer sie in die moderne Technologie integriert. Die Integration des Gyroskops ermöglichte eine genauere Erkennung von Bewegungen in einem 3D-Raum als der vorherige Einzelbeschleunigungsmesser in einer Reihe von Smartphones. Gyroskope in der Unterhaltungselektronik werden häufig mit Beschleunigungsmessern (Beschleunigungssensoren) kombiniert, um eine robustere Richtungs- und Bewegungserfassung zu ermöglichen. Beispiele für solche Anwendungen sind Smartphones wie das Samsung Galaxy Note 4 , das HTC Titan , das Nexus 5 , das iPhone 5s , das Nokia 808 PureView und das Sony Xperia , Peripheriegeräte für Spielekonsolen wie der PlayStation 3-Controller und die Wii-Fernbedienung sowie Virtual-Reality-Geräte wie der Oculus Rift .

Nintendo hat ein Gyroskop durch eine zusätzliche Hardware namens " Wii MotionPlus " in die Wii -Fernbedienung der Wii- Konsole integriert . Es ist auch in den Joy-Con- Controllern 3DS, Wii U GamePad und Nintendo Switch enthalten , die Bewegungen beim Drehen und Schütteln erkennen.

Kreuzfahrtschiffe verwenden Gyroskope, um bewegungsempfindliche Geräte wie selbstnivellierende Billardtische auszurichten.

Ein elektrisch angetriebenes Schwungradgyroskop, das in ein Fahrradrad eingesetzt ist, wird als Alternative zu Stützrädern verkauft. Einige Funktionen von Android-Handys wie PhotoSphere oder 360 Camera und die Verwendung von VR-Gadgets funktionieren ohne einen Gyroskopsensor im Telefon nicht.

Siehe auch

Anmerkungen

Verweise

  • Feynman, Richard; Gottlieb, Michael; Leighton, Ralph (2013). Feynmans Tipps zur Physik, eine Ergänzung zur Problemlösung zu den Feynman-Vorlesungen zur Physik . Grundlegende Bücher.

Weiterführende Literatur

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  • Cooper, Donald & University of Western Australia. Fakultät für Maschinenbau und Werkstofftechnik 1996, Eine Untersuchung der Anwendung des Kreiseldrehmoments bei der Beschleunigung und Verzögerung rotierender Systeme.

Externe Links