technika
Autor: Arkadiusz Orłowski | dodano: 2012-10-17
Czy kołysanie statku da się stłumić żyroskopemo dwóch obracających się w przeciwnych kierunkach koła

Odpowiada dr hab. inż. Arkadiusz Orłowski z Instytutu Fizyki PAN w Warszawie:

Masywnych żyroskopów rzeczywiście od lat używa się do tłumienia kołysania statków. Umieszcza się je na śródokręciu w płaszczyźnie symetrii jednostki. Znaj­dują one także wiele innych zastosowań w różnych urządzeniach nawigacyjnych: w zakrętomierzu, busoli lotniczej, żyro­skopie kursowym, pionie żyroskopo­wym. Ułatwiają sterowanie samolotami, okrętami czy rakietami, a wykorzystuje się w nich charakterystyczne działanie prostego przyrządu, który w formie bączka jest również jedną z ulubionych zabawek małych dzieci.

Żyroskop, zwany potocznie właśnie bączkiem, to układ fizyczny o zaska­kującym zachowaniu. Jeśli próbujemy obrócić pionową oś takiego szybko wi­rującego bąka, na przykład popychając ją u góry do przodu i ciągnąc jej dolny koniec do tyłu (niech „przód” będzie kie­runkiem odniesienia), odmawia nam po­słuszeństwa, próbując obrócić się górą w prawo lub w lewo, zależnie od kierun­ku, w jakim wiruje. Zjawisko to można wyjaśnić, posługując się pojęciem mo­mentu pędu, stosowanym w fizyce jako miara ruchu obrotowego, podobnie, jak pęd jest miarą ruchu postępowego. Osobliwe zachowanie żyroskopu staje się zrozumiałe, jeśli rozważymy dzia­łający na bączek wypadkowy moment pędu, czyli złożenie momentu pędu wi­rującego bąka z momentem pędu, który mu nadajemy, chcąc go obrócić.

Moment pędu jest wektorem, możemy więc wyobrazić go sobie jako strzałkę wzdłuż osi obrotu z grotem zwróconym zgodnie z regułą korkociągu. Jeżeli, pa­trząc z góry, widzimy, że bąk obraca się przeciwnie do ruchu wskazówek zegara, jego moment pędu jest skierowany w gó­rę. Spróbujmy obrócić oś takiego bąka, pchając jej górny koniec do przodu. Jeśli bąk nie wiruje, na pewno nam się to powiedzie i nadamy osi obrót okre­ślony przez skierowany w lewo wektor momentu pędu. Jeżeli jednak bąk już wiruje i ma moment pędu skierowa­ny w górę, dodatkowy moment pędu, nadany przy próbie obrócenia go, doda się wektorowo do momentu początko­wego i wypadkowy moment pędu będzie skierowany w lewo. Tak właśnie obróci się oś wirującego żyroskopu: jej górna cześć odchyli się w lewo, a nie tam, gdzie chcieliśmy ją popchnąć!

Taka reakcja bąka na próby zmia­ny jego osi sprawia, że może służyć on do zmniejszania kołysania statku na bo­ki. Gdybyśmy jednak chcieli zastosować do tego celu układ dwóch identycz­nych bąków wirujących równie szybko w przeciwnych kierunkach wokół tej samej osi, nie uda się to, ponieważ ich sumaryczny moment pędu wyzeruje się (czyli będzie taki jak dla statycznego, nieobracającego się bąka) i choć oba bąki nadal będą wirować, efekt żyrosko­powy nie pojawi się.

Teorię żyroskopu podał Jean Bernard Foucault i to on skonstruował żyroskop z zawieszeniem Cardana, dzięki które­mu urządzenie to ma trzy stopnie swo­body, czyli może zmieniać swoje położe­nie dowolnie w przestrzeni, a kierunek osi jego obrotu zawsze pozostaje bez zmian.

Zachowanie żyroskopu bardzo obra­zowo zademonstrował francuski fizyk Jean Baptiste Perrin. Zapakował wiru­jący żyroskop do walizki i dał ją do nie­sienia kolejowemu tragarzowi. Kiedy ten chciał skręcić, walizka zdecydowa­nie stawiała mu opór. Nie pomagało również użycie siły (momentu siły), bo wykręcała się w zgoła odwrotnym kie­runku. Ale właśnie ta niesforność żyro­skopu ogromnie ułatwia życie pilotom i kapitanom statków.

Więcej w miesięczniku „Świat Nauki" nr 06/2008 »
Drukuj »
Ten artykuł nie został jeszcze skomentowany.
Aktualne numery
11/2017
10/2017 - specjalny
Kalendarium
Listopad
22
W 1904 r. urodził się Louis Néel, francuski fizyk, laureat Nagrody Nobla.
Warto przeczytać
Zmyl trop to użyteczna, ale i pełna powabu oraz przekonująca, kieszonkowa esencja wszystkiego, co chcielibyście wiedzieć o obronie przed inwigilacją.

Logowanie

Nazwa użytkownika

Hasło

Autor: Arkadiusz Orłowski | dodano: 2012-10-17
Czy kołysanie statku da się stłumić żyroskopemo dwóch obracających się w przeciwnych kierunkach koła

Odpowiada dr hab. inż. Arkadiusz Orłowski z Instytutu Fizyki PAN w Warszawie:

Masywnych żyroskopów rzeczywiście od lat używa się do tłumienia kołysania statków. Umieszcza się je na śródokręciu w płaszczyźnie symetrii jednostki. Znaj­dują one także wiele innych zastosowań w różnych urządzeniach nawigacyjnych: w zakrętomierzu, busoli lotniczej, żyro­skopie kursowym, pionie żyroskopo­wym. Ułatwiają sterowanie samolotami, okrętami czy rakietami, a wykorzystuje się w nich charakterystyczne działanie prostego przyrządu, który w formie bączka jest również jedną z ulubionych zabawek małych dzieci.

Żyroskop, zwany potocznie właśnie bączkiem, to układ fizyczny o zaska­kującym zachowaniu. Jeśli próbujemy obrócić pionową oś takiego szybko wi­rującego bąka, na przykład popychając ją u góry do przodu i ciągnąc jej dolny koniec do tyłu (niech „przód” będzie kie­runkiem odniesienia), odmawia nam po­słuszeństwa, próbując obrócić się górą w prawo lub w lewo, zależnie od kierun­ku, w jakim wiruje. Zjawisko to można wyjaśnić, posługując się pojęciem mo­mentu pędu, stosowanym w fizyce jako miara ruchu obrotowego, podobnie, jak pęd jest miarą ruchu postępowego. Osobliwe zachowanie żyroskopu staje się zrozumiałe, jeśli rozważymy dzia­łający na bączek wypadkowy moment pędu, czyli złożenie momentu pędu wi­rującego bąka z momentem pędu, który mu nadajemy, chcąc go obrócić.

Moment pędu jest wektorem, możemy więc wyobrazić go sobie jako strzałkę wzdłuż osi obrotu z grotem zwróconym zgodnie z regułą korkociągu. Jeżeli, pa­trząc z góry, widzimy, że bąk obraca się przeciwnie do ruchu wskazówek zegara, jego moment pędu jest skierowany w gó­rę. Spróbujmy obrócić oś takiego bąka, pchając jej górny koniec do przodu. Jeśli bąk nie wiruje, na pewno nam się to powiedzie i nadamy osi obrót okre­ślony przez skierowany w lewo wektor momentu pędu. Jeżeli jednak bąk już wiruje i ma moment pędu skierowa­ny w górę, dodatkowy moment pędu, nadany przy próbie obrócenia go, doda się wektorowo do momentu początko­wego i wypadkowy moment pędu będzie skierowany w lewo. Tak właśnie obróci się oś wirującego żyroskopu: jej górna cześć odchyli się w lewo, a nie tam, gdzie chcieliśmy ją popchnąć!

Taka reakcja bąka na próby zmia­ny jego osi sprawia, że może służyć on do zmniejszania kołysania statku na bo­ki. Gdybyśmy jednak chcieli zastosować do tego celu układ dwóch identycz­nych bąków wirujących równie szybko w przeciwnych kierunkach wokół tej samej osi, nie uda się to, ponieważ ich sumaryczny moment pędu wyzeruje się (czyli będzie taki jak dla statycznego, nieobracającego się bąka) i choć oba bąki nadal będą wirować, efekt żyrosko­powy nie pojawi się.

Teorię żyroskopu podał Jean Bernard Foucault i to on skonstruował żyroskop z zawieszeniem Cardana, dzięki które­mu urządzenie to ma trzy stopnie swo­body, czyli może zmieniać swoje położe­nie dowolnie w przestrzeni, a kierunek osi jego obrotu zawsze pozostaje bez zmian.

Zachowanie żyroskopu bardzo obra­zowo zademonstrował francuski fizyk Jean Baptiste Perrin. Zapakował wiru­jący żyroskop do walizki i dał ją do nie­sienia kolejowemu tragarzowi. Kiedy ten chciał skręcić, walizka zdecydowa­nie stawiała mu opór. Nie pomagało również użycie siły (momentu siły), bo wykręcała się w zgoła odwrotnym kie­runku. Ale właśnie ta niesforność żyro­skopu ogromnie ułatwia życie pilotom i kapitanom statków.