ژیروسکوپ ها می توانند اشیا متحیرکننده ای باشند زیرا به روش های خاصی حرکت می کنند به طوری که انگار با قانون جاذبه مقابله کرده و آنرا زیرپا می گذارند. این ویژگی های خاص باعث می شود که ژیروسکوپ ها در همه چیز از دوچرخه گرفته تا سیستم ناوبری پیشرفته شاتل فضایی بسیار مهم باشند. یک هواپیمای معمولی از حدود دوازده ژیروسکوپ در همه چیز از قطب نما گرفته تا اتوپایلوت خود استفاده می کند. بهتر است بدانید ژیروسکوپ در جریان آزمایش های یک فیزیکدان فرانسوی به نام لئون فوکو، به شهرت رسید.
اگر تا به حال یک ژیروسکوپ دست ساز، با استفاده از یک نخ و تایر دوچرخه؛ درست کرده باشید، می دانید که باید بدانید که ساختن ژایروسکوپ در مقیاس کوچک کار چندان سختی نیست. شما می توانید به راحتی و با استفاده از چند حرکت دورانی تایر دوچرخه، قانون جاذبه را زیرپا گذاشته و حرکت های عجیبی مشاهده کنید.
اما جالب ترین اثر در این گونه آزمایش ها Precise نام دارد. که در ادامه به معرفی آن می پردازیم. این اثر مرموز در حالت کلی به این صورت عمل می کند که اگر شما یک ژیروسکوپ چرخان دارید و سعی می کنید محور چرخش آن را بچرخانید، ژیروسکوپ در عوض سعی می کند حول یک محور در زاویه های مناسب با محور نیروی شما بچرخد.
چرا یک ژیروسکوپ باید این رفتار را نشان دهد؟ به نظر کاملا غیر منطقی است که محور چرخ دوچرخه یا وسایل مشابه آن می تواند با چند بار دوران در هوا معلق بماند. اگر به این فکر کنید که واقعا چه اتفاقی برای بخش های مختلف ژیروسکوپ در حین چرخش می افتد در ادامه بخش آن را توضیح داده ایم. به تصویر زیر توجه کنید:
?
هنگامی که نیرو به محور اعمال می شود، بخشی که در بالای ژیروسکوپ قرار دارد سعی می کند به سمت چپ حرکت کند، و بخشی که در پایین ژیروسکوپ قرار دارد سعی می کند به سمت راست حرکت کند، همانطور که در تصویر بالا مشاهده می کنید حرکت به سمت راست توسط ژیروسکوپ انجام می شود، اگر حرکت به سمت چپ توسط این دو بخش انجام نشود، چرخ به حرکت خود ادامه می دهد.
?
این اثر علت انحراف است. بخش های مختلف ژیروسکوپ در یک نقطه نیرو دریافت می کنند اما سپس به موقعیت های جدید می چرخند. هنگامی که بخش بالای ژیروسکوپ ۹۰ درجه به سمت راست می چرخد، تمایل به حرکت به سمت چپ ادامه می یابد. همین امر برای بخش پایین صادق است. این بخش ۹۰ درجه به سمت راست می چرخد و حرکت به سمت راست را ادامه می دهد.
بهتر است بدانید: اگر دو ژیروسکوپ را با محورهای خود در زاویه های مناسب نسبت به یکدیگر روی یک پلتفرم سوار کنید و پلتفرم را درون مجموعه ای از گیمبال ها قرار دهید، پلتفرم کاملا سفت و سخت خواهد ماند زیرا گیمبال ها به هر شکلی که بخواهند می چرخند.
همانطور که بیشتر به آن اشاره کردیم، ژایروسکوپ ها در موارد بسیاری مورد استفاده قرار می گیرند که از جمله مهمترین آنها می توانیم به استفاده از گوشی های هوشمند، هواپیما، صنایع نظامی، کشتی ها و .... اشاره کرد. در ادامه این مطلب تلاش می کنیم تا به بهترین شکل، در مورد هر کدام از موارد مورد استفاده این وسیله در موارد بالا توضیح دهیم.
?
همانطور که در مقدمه با آن اشاره کردیم، یک ژیروسکوپ مسئول حفظ تعادل جهت گیری است و با اصلاح هر گونه جابجایی زاویه ای در برابر تغییر مقاومت می کند، در نتیجه کنترل پایداری را فراهم می کند. به بیان ساده تر، زاویه را اندازه گیری می کند و جهت گیری خود را به قدری دقیق تعیین می کند که برای ایجاد تصحیح در چنین زاویه ای مورد استفاده قرار می گیرد.
در حال حاضر از این فن آوری در بسیاری از کاربردهای مهم مانند حفظ جهت هواپیماها، موشک ها و سفینه های فضایی و کاربردهای کاربردی تر در گوشی های هوشمند مانند امکان اجرای بازی های کنترل حرکتی روی دستگاه های موبایل استفاده می شود.
?
در تلفن همراه ما، ژیروسکوپ مورد استفاده ژیروسکوپ سیستم های میکروالکترومکانیکی (MEMS) نامیده می شود. این روش با روش مکانیکی که بیشتر به آن اشاره کردیم متفاوت است، اگرچه اصل کارکرد ژایروسکوپ ها تفاوتی ایجاد نمی کند.
ژیروسکوپ هایی که با نام MEMS نام برده می شوند، کوچک هستند و تراشه های کوچک را نیز حمل می کنند. سنسورها تغییر در جابجایی زاویه ای را ثبت می کنند و با توجه به این که یک جریان از طریق عمل ارتعاشی ژیروسکوپ تولید می شود و به شکل مناسبی برای هشدار به کاربر منتقل می شود.
یک ژیروسکوپ در گوشی شما این امکان را فراهم می کند تا جهت گیری خطی گوشی را برای چرخش خودکار صفحه نمایش حس کنید. در واقع، ژیروسکوپ از جهت گیری چرخشی مراقبت می کند، این شتاب سنج است که تغییرات خطی را نسبت به چارچوب مرجع دستگاه حس می کند. به تصویر زیر نگاه کنید:
?
جرم (M)از طریق یک فنر به هم متصل می شود (K)و هنگامی که در حالت استراحت در موقعیت 0 قرار دارد. اگر فریم را به سمت راست بکشید، جرم برای مدتی ثابت می ماند و سپس با حرکت حرکت می کند. این تاخیر ثبت شده و به شتاب تبدیل می شود.
?
خانه ای را در نظر بگیرید که یک جرم لرزان همانند لوستر را از یک فنر معلق می کند. بسته به اینکه دستگاه بالا یا پایین برود، گرانش برای ایجاد یک جابجایی که یا فنر را فشرده می کند، یا آن را گسترش می دهد، کار خواهد کرد. بسته به درجه و ماهیت تغییر در فنر، می توانیم بگوییم که آیا گوشی به سمت بالا یا پایین حرکت می کند.
با قرار دادن چنین دستگاهی در هر سه بعد در فضا (در امتداد محورهای x، y و z)، می توانیم بگوییم که دستگاه در چه سمتی قرار دارد در حالی که ژیرو ملاحظات انحراف و زاویه ای را در نظر می گیرد. شتاب سنج حرکت و تغییر در گرانش را حس می کند و آن را به ابزاری ایده آل برای ثبت دقیق تغییر در حرکت و جهت حرکت تبدیل می کند.
شتاب سنج و ژیروسکوپ با هم می توانند جهت گیری دستگاه را حس کنند و سرعت آن را افزایش دهند. تکنولوژی MEMS (ژیروسکوپ سیستم های الکترومکانیکی)یکپارچه شده در تراشه کوچکی که به خوبی در مادربرد دستگاه قرار دارد و باعث حفظ تعادل در بسیاری از بازی ها و یا نرم افزار های کاربردی و حتی فهمیدن عوض شدن جهت گوشی های هوشمند از حالت افقی به عمودی شده ست.
به محض اینکه یک جابجایی وجود دارد که نشان می دهد شتاب در یک جهت خاص وجود قرار دارد، با یک حرکت ارتعاشی ناشی از ژیروسکوپ، یک افت پتانسیل ایجاد می شود که جریانی ایجاد می کند که به مدار منتهی می شود تا به بقیه دستگاه بگوید که چگونه واکنش نشان دهد.
تثبیت تصویر با استفاده از ژیروسکوپ روشی موثر برای کاهش لرزش دوربین و بهبود کیفیت عکس ها و فیلم ها است. ژیروسکوپ سرعت زاویه ای چرخش دوربین یا جسم دیگر را اندازه گیری می کند و از این اطلاعات برای تشخیص و مقابله با هر حرکتی استفاده می کند. این به دوربین اجازه می دهد حتی زمانی که کاربر در حال حرکت است یا محیط لرزان است ثابت بماند. تثبیت کننده تصویر با ژیروسکوپ اغلب در دوربین های ورزشی و سایر دوربین های اکشن و همچنین در گوشی های هوشمند، دوربین های DSLR و هواپیماهای بدون سرنشین استفاده می شود.
?
ژیروسکوپ در گوشی های هوشمند برای فعال کردن ویژگی هایی مانند واقعیت افزوده و کنترل حرکت استفاده می شود. وقتی گوشی جابه جا می شود، ژیروسکوپ این حرکت را تشخیص داده و اطلاعات را به شتاب سنج و پردازنده گوشی می فرستد. این به تلفن اجازه می دهد تا جهت گیری خود را در فضا حس کند و به آن پاسخ دهد، مثلاً با حرکت دادن نمایشگر یا فعال کردن ویژگی های کنترل شده حرکت. همچنین از ژیروسکوپ ها برای تشخیص جهت گیری گوشی هنگام گرفتن عکس و فیلم استفاده می شود که به اطمینان از تراز ماندن تصویر کمک می کند.
?
موارد استفاده از ژیروسکوپ در وسایل پزشکی از جمله وسایل حوزه فیزیوتراپی و پلتفرم های حوزه سلامت، بسیار پرکاربرد و محبوب است. ژیروسکوپ ها در انواع کاربردهای پزشکی از جمله ردیابی حرکت، سیستم های بازخورد مبتنی بر حرکت و ناوبری استفاده می شوند. در ردیابی حرکت، از ژیروسکوپ برای اندازه گیری حرکت بدن بیمار استفاده می شود که امکان نظارت بر فعالیت بدنی را فراهم می کند. سیستم‌های بازخورد مبتنی بر حرکت بر توانایی ژیروسکوپ برای تشخیص و اندازه‌گیری جهت و چرخش تکیه می‌کنند و امکان توسعه فناوری‌های فیزیوتراپی را فراهم می‌کنند که می‌تواند بازخورد و راهنمایی را برای بیماران ارائه دهد. در ناوبری، ژیروسکوپ ها برای فعال کردن تجربیات واقعیت افزوده و واقعیت مجازی در کاربردهای پزشکی، مانند ارائه داده های بلادرنگ به پزشکان و راهنمایی در مورد نحوه انجام اقدامات پزشکی استفاده می شوند. علاوه بر این، ژیروسکوپ‌ها می‌توانند برای اندازه‌گیری و تشخیص تغییرات در جهت‌گیری و حرکت بدن مورد استفاده قرار گیرند، که امکان توسعه دستگاه‌های پزشکی را فراهم می‌کند که می‌توانند شرایط پزشکی را نظارت و تشخیص دهند.
?
ژیروسکوپ‌ها معمولاً در عینک‌های واقعیت افزوده (AR) و واقعیت مجازی (VR) برای ردیابی جهت سر و ارائه تجربیات فراگیرتر استفاده می‌شوند. ژیروسکوپ حرکات چرخشی را تشخیص می دهد و این داده ها را به عینک AR یا VR ارسال می کند که از داده ها برای تنظیم دنیای مجازی بر این اساس استفاده می کند.
به عنوان مثال، هنگامی که کاربر سر خود را برمی گرداند، ژیروسکوپ تغییر جهت را تشخیص می دهد و عینک VR مطابق با آن، نما را به روز می کند. علاوه بر این، ژیروسکوپ‌ها برای تشخیص تغییرات در محیط فیزیکی کاربر استفاده می‌شوند و به عینک اجازه می‌دهند تا تجربیات واقعی‌تری را با واکنش به تغییرات نور یا سایر عوامل محیطی ارائه دهند.
در ادامه تلاش می کنیم تا استفاده از ژیروسکوپ در هواپیما را به صورت مختصر و مفید توضیح دهیم.
ژیروسکوپ در هواپیما برای اندازه گیری و حفظ نگرش و ایجاد ثبات استفاده می شود. این کار با نظارت بر حرکت زاویه ای هواپیما انجام می شود که با استفاده از آن می توان جهت و حرکت هواپیما را تعیین کرد. ژیروسکوپ همچنین می تواند برای اندازه گیری سرعت چرخش و ارائه ورودی به خلبان خودکار برای نگه داشتن هواپیما در مسیر استفاده شود. علاوه بر این، ژیروسکوپ ها می توانند برای اندازه گیری چرخش و ثبات بهتر استفاده شوند.
?
ژیروسکوپ ها معمولاً بر روی سه محور - گام، چرخش و انحراف - نصب می شوند و تکانه زاویه ای را در امتداد هر محور اندازه گیری می کنند. این به ژیروسکوپ اجازه می دهد تا تغییرات در جهت گیری و حرکت هواپیما را حس کند و برای حفظ ثبات، ورودی به خلبان خودکار ارائه دهد. علاوه بر این، ژیروسکوپ ها می توانند برای اندازه گیری سرعت و شتاب هواپیما و همچنین ارائه بازخورد در مورد سرعت و جهت باد استفاده شوند.
هنگام استفاده از ژیروسکوپ در هواپیما، مهم است که عواملی مانند لرزش، دما و رطوبت را در نظر بگیرید. لرزش می تواند باعث خطا در خواندن ژیروسکوپ شود، در حالی که دما و رطوبت می تواند بر دقت آن تأثیر بگذارد. علاوه بر این، ژیروسکوپ باید به طور مرتب کالیبره شود تا از صحت خوانش ها اطمینان حاصل شود. علاوه بر این، ژیروسکوپ باید به طور ایمن در هواپیما نصب شود تا اطمینان حاصل شود که خوانش ها تحت تأثیر اغتشاش یا سایر عوامل خارجی قرار نمی گیرند. در نهایت، ژیروسکوپ ها باید به طور منظم مورد آزمایش قرار گیرند تا اطمینان حاصل شود که آنها به درستی کار می کنند و خوانش دقیقی ارائه می دهند. وجود مقدار بسیار کمی از کم دقتی در ژایروسکوپ یک امر پیش بینی شده و محتمل است.
?
همانطور که در قسمت قبل به آن اشاره کردیم، استفاده از ژایروسکوپ در وسایل که ارتباط چندانی با زمین و یا استحکاک چندانی با آن ندارند، بسیار محتمل است. ژیروسکوپ ها در فضاپیماها برای اندازه گیری و حفظ جهت گیری یا جهتی که فضاپیما در آن قرار دارد استفاده می شود. ژیروسکوپ ها از اصل تکانه زاویه ای برای اندازه گیری تغییرات جهت گیری فضاپیما استفاده می کنند و سپس از موتورها برای تنظیم جهت در صورت نیاز استفاده می کنند. (تکانه زاویه ای یک کمیت فیزیکی است که حرکت چرخشی یک جسم را توصیف می کند. این یک کمیت برداری است، به این معنی که هم اندازه و هم جهت دارد.) این به آنها کمک می کند تا اطمینان حاصل شود که فضاپیما در جهت مورد نظر قرار می گیرد، حتی زمانی که نیروهای خارجی مانند گرانش یا مقاومت هوا بر روی آن وارد می شوند. همچنین از ژیروسکوپ در فضاپیماها برای اندازه گیری تغییرات سرعت و شتاب فضاپیما ، همانند هواپیماها استفاده می شود. بهتر است بدانید: ژیروسکوپ ها از دهه 1960 در فضاپیماها استفاده شده اند و بخش مهمی از ناوبری و کنترل فضاپیما هستند.
?
ژیروسکوپ در کشتی ها برای کمک به حفظ جهت و جهت حرکت کشتی استفاده می شود. ژیروسکوپ ها با استفاده از اصل تکانه زاویه ای ( که بیشتر به آن اشاره کردیم) کار می کنند، که بیان می کند که تکانه زاویه ای کل یک سیستم ثابت می ماند مگر اینکه توسط یک گشتاور خارجی بر روی آن عمل شود. این بدان معنی است که وقتی جهت کشتی تغییر می کند، ژیروسکوپ این تغییر را اندازه گیری می کند و از موتورها برای تنظیم جهت آن استفاده می کند. علاوه بر این، ژیروسکوپ ها می توانند برای اندازه گیری نرخ زاویه ای کشتی یا سرعت چرخش آن استفاده شوند. از این اطلاعات می توان برای تعیین موقعیت و جهت گیری کشتی نسبت به مسیر مورد نظر آن استفاده کرد.
ژیروسکوپ ها در سیستم های ناوبری کشتی برای ارائه داده های جهت گیری دقیق و در زمان واقعی استفاده می شوند. داده‌های ژیروسکوپ با داده‌های سایر حسگرها مانند GPS و شتاب‌سنج‌ها ترکیب می‌شوند تا درک جامعی از مکان، جهت‌گیری و حرکات کشتی ارائه دهند.
?
پیشرفت‌ها در فناوری ژیروسکوپ، کشتی‌ها را قادر می‌سازد تا از چندین ژیروسکوپ در پشت سر هم استفاده کنند، که امکان اندازه‌گیری دقیق‌تر و کنترل بیشتر بر جهت‌گیری کشتی را فراهم می‌کند. علاوه بر این، برخی از کشتی‌ها اکنون از ژیروسکوپ‌ها استفاده می‌کنند که ژیروسکوپ‌هایی هستند که جهت شمال واقعی را اندازه‌گیری می‌کنند و کشتی‌ها را قادر می‌سازند مسیر دلخواه خود را با دقت بیشتری حفظ کنند. با توجه به اینکه: ژیروسکوپ همچنین می تواند برای اندازه گیری نرخ زاویه ای کشتی یا سرعت چرخش آن استفاده شود. از این اطلاعات می توان برای تعیین موقعیت و جهت گیری کشتی نسبت به مسیر مورد نظر آن استفاده کرد. ژیروسکوپ ها همچنین می توانند برای اندازه گیری ارتفاع، گام، و غلت کشتی استفاده شوند و داده های ارزشمندی را برای ناوبری و کنترل فراهم کنند.
ژیروسکوپ در موشک ها برای اندازه گیری سرعت زاویه ای یا نرخ تغییر جهت موشک استفاده می شود. با اندازه‌گیری سرعت زاویه‌ای، موشک می‌تواند جهت خود را تنظیم کند تا مطمئن شود که کارآمدترین مسیر را برای رسیدن به مقصد دنبال می‌کند. ژیروسکوپ‌ها همچنین به پایدار نگه داشتن موشک کمک می‌کنند، زیرا می‌توانند هر گونه تغییر در جهت موشک را تشخیص دهند و تنظیماتی را برای اطمینان از ادامه مسیر راکت انجام دهند.
علاوه بر ارائه بازخورد در جهت گیری موشک، ژیروسکوپ ها همچنین می توانند برای اندازه گیری شتاب موشک و همچنین موقعیت آن یا جهت گیری موشک نسبت به افق استفاده شوند. ژیروسکوپ ها همچنین برای تشخیص هرگونه اختلالی که می تواند بر مسیر موشک تأثیر بگذارد، مانند باد، تلاطم یا حتی شعله های خورشیدی مفید است. این باعث می شود که آنها جزء مهمی در تضمین یک ماموریت موفق باشند. ژیروسکوپ در برنامه های کاربردی دیگری مانند گوشی های هوشمند و کنترلرهای بازی های ویدیویی نیز استفاده می شود.
