Gyroskop – hvordan fungerer det?

Hvad er et gyroskop?

Et gyroskop er et instrument, der bruges til at opretholde eller bevare et objekts retning og vinkelhastighed. Til dette formål udnytter det princippet om bevarelse af drejningsmomentets retning. Gyroskopet er udstyret med en frit roterende skive og kan indtage alle mulige retninger, samtidig med at dets rotationsakse forbliver uændret.

Når en gyroskops rotationsskive drejer, forbliver instrumentets rotationsakse nemlig stabil, selv på et skråt underlag. I takt med at skiven tager fart, bliver det kinetiske moment også større, hvilket stabiliserer gyroskopet og det objekt, det er indkapslet i.

Præcessionsbevægelsen

Hvis der under fuld rotation udøves en kraft på aksen, kommer gyroskopet ud af balance. Aksen bevæger sig langsommere og følger en konisk bevægelse, der kaldes præcessionsbevægelse. Gyroskopet fortsætter med at dreje, men falder ikke ned.

Gyroskopet og den kinetiske bevægelse

I klassisk fysik og mekanik er gyroskopet og den kinetiske bevægelse uadskillelige. Mens det første betegner en mekanisme til observation af rotation og vinkelposition, er det andet en vektorgröße, der anvendes til bevarelse af netop denne rotation. Her kan du læse alt, hvad du behøver at vide om gyroskopet og det kinetiske moment.

Det kinetiske moment

Også kaldet vinkelmoment, er det kinetiske moment en vektorgröße, der har samme retning og samme fortegn som vinkelhastigheden. For at dette skal være muligt, skal objektets rotationsakse også være dets symmetriakse.

Fra et punkt M til et punkt O er det kinetiske moment ifølge Wikipedia lig med impulsmomentet i forhold til punkt O. Når det kinetiske moment ikke ændrer sig, forbliver rotationsaksen stabil. Dette kaldes bevarelse af det kinetiske moment eller den gyroskopiske effekt.

Den gyroskopiske effekt

For konkret at forstå denne mekanisme kan du tage et cykelhjul. Hold det med udstrakt arm ved navmøtrikkerne. Bed nogen om at dreje hjulet hurtigt. Hvis du forsøger at læne dig mod det roterende hjul, vil du mærke en modstand. Det er bevarelsen af drejningsmomentet, der modvirker denne bevægelse. Det er den gyroskopiske effekt , der holder hjulet i balance. Det er vigtigt at bemærke, at den gyroskopiske effekt øges med rotationshastigheden.

Gyroskopets historie

Det første treaksede gyroskop blev opfundet af Léon Foucault i 1852. Han er kendt for at have skabt Foucaults pendul. Under et eksperiment vedrørende Jordens rotation indså Foucault, at hans pendul drejede langsomt i forhold til Jordens rotation. Dette eksperiment førte til, at han udviklede et instrument, der var i stand til at opretholde en hurtig rotation i tilstrækkelig lang tid. Sammen med sin samarbejdspartner Forment skabte han gyroskopet. Han opdagede også, at dette nye instrument var i stand til at angive nord og rette sig ind efter meridianen. Han kaldte det gyroskopkompasset.

Fra slutningen af det 19. århundrede dukkede de første motoriserede gyroskoper op. Gyrokompasserne bruges nu til at angive det geografiske nord og ikke det magnetiske nord. De erstatter også kompasserne på skibe. Fra det 20. århundrede fandtes gyrokompasser i militærets udstyr.

I dag bruges gyroskoper også til at opretholde stabiliteten i elektroniske apparater. De findes nu i ure, men også i smartphones, hvor de har form af elektromekaniske inerti-mikrosystemer.

Gyroskopets komponenter

Et mekanisk gyroskop består hovedsageligt af følgende elementer:

• En roterende skive i midten. I midten af denne skive befinder sig gyroskopets tyngdepunkt, uden hvilket instrumentet ikke kan fungere.
• En rotationsakse, der går gennem skivens centrum og peger i en vilkårlig retning.
• Tre kardanled (roterende beslag, der gør det muligt for et objekt at dreje omkring en enkelt akse), som gør det muligt at have et treakset gyroskop:

1. Den første er fastgjort til aksen ved hjælp af kuglelejer.
2. Et andet er fastgjort til den indre akse
3. Et tredje er fastgjort til den ydre ramme

Anvendelser af gyroskopet

Gyroskopet anvendes i dag inden for flere andre områder end fysikken samt i mange sektorer (industri, luftfart, olieindustrien osv.). Det anvendes inden for:

• Styring af torpedoer og missiler
• Koordinering eller angivelse af sving i et fly
• Fremstilling af visse antistress-genstande såsom snurretoppe, yo-yo’er, vortecons eller spinnere
• Stabilisering af kameraet under optagelse af et objekt i bevægelse
• Konstruktion af motorcykler, cykler eller tohjulede køretøjer i balance
• Konstruktion af fjernstyrede helikoptere og meget andet

Desuden anvendes dette instrument også i rumstationer, ombord på Hubble-rumteleskopet og inden for forskellige andre områder, der er forbeholdt fysikeksperter.