コンテンツ
- 車が右に曲がるときに左に傾くのはなぜですか？
- ジャイロスコープの起源
- ジャイロスコープとは何ですか？
- ジャイロスコープの物理学
- エリートジャイロスコープの例：ハッブル望遠鏡
- ニュートンの第一法則が時々「慣性の法則」と呼ばれる理由
- 慣性は力ですか？
- 加速度計は何を測定しますか？
多くの場合、単にジャイロと呼ばれるジャイロスコープ（ギリシャのフードラップと混同しないように）は、あまり報道されていません。しかし、エンジニアリングのこの驚異がなければ、世界、特に人類が他の世界を探検することは根本的に異なります。ジャイロスコープはロケットと航空学に不可欠であり、ボーナスとして、シンプルなジャイロスコープは素晴らしい子供のおもちゃになります。
ジャイロスコープは、多くの可動部品を備えた機械ですが、実際にはセンサーです。その目的は、ジャイロスコープの外部環境によって加えられる力の変化に直面して、ジャイロスコープの中心にある回転部分の動きを安定させることです。これらの外部シフトは、課されたシフトに常に対抗するジャイロスコープ部分の動きによって相殺されるように構築されています。これは、バネ仕掛けのドアやネズミ捕りが、それを引っ張ろうとする試みに反対する方法とは異なりません。ただし、ジャイロスコープはバネよりもはるかに複雑です。
車が右に曲がるときに左に傾くのはなぜですか？
「外からの力」、つまり、実際に新しいものがあなたに触れていないときに新しい力にさらされるということはどういう意味ですか？一定の速度で直線的に走行している車の助手席にいるときに何が起こるか考えてください。車は加速も減速もしていないため、身体は直線的な加速を経験せず、車は回転していないため、角加速度を経験しません。力は質量と加速度の積であるため、毎時200マイルの速度で移動している場合でも、これらの条件下では正味の力は発生しません。これは、ニュートンの運動の第一法則に従います。この法則は、外力の影響を受けない限り、静止している物体は静止したままであり、同じ方向に一定速度で移動する物体は、外力を受けます。
しかし、車が右に曲がるとき、あなたの車の乗り心地への角加速度の突然の導入に対抗するための物理的な努力をしない限り、あなたは左のドライバーに向かって倒れます。あなたは、正味の力を感じない状態から、車がたどり始めたばかりの円の中心から真っ直ぐに向いた力を感じるようになりました。ターンが短くなると、与えられた線速度での角加速度が大きくなるため、ドライバーが急旋回すると左に傾く傾向がより顕著になります。
座席で同じ位置に自分自身を保つために十分な反学習努力を適用するあなた自身の、社会的に染み込んだ練習は、はるかに複雑で効果的な方法ではありますが、ジャイロスコープが行うことに似ています。
ジャイロスコープの起源
ジャイロスコープは、19世紀半ばとフランスの物理学者レオンフーコーに正式に遡ることができます。フーコーは、おそらく彼の名前を取り、光学のほとんどの仕事をした振り子でよく知られていますが、彼は、実際にキャンセルする方法を考え出すことで地球の回転を実証するために使用するデバイスを思いつきましたまたは、デバイスの最も内側の部分への重力の影響を隔離します。したがって、回転中のジャイロスコープホイールの回転軸の変化は、地球の回転によって与えられなければならなかったことを意味していました。このようにして、ジャイロスコープの最初の正式な使用法が明らかになりました。
ジャイロスコープとは何ですか？
ジャイロスコープの基本原理は、回転する自転車の車輪を単独で使用して説明できます。ホイールの中央を通る短い車軸（ペンなど）でホイールを両側で保持し、誰かがホイールを保持している間にホイールを回転させた場合、ホイールを片側に傾けようとすると、 、回転していない場合ほど簡単にはその方向に移動しません。これは、どの方向に動きが導入されても、選択した任意の方向に当てはまります。
ジャイロスコープの部分を最も内側から最も外側に記述するのがおそらく最も簡単でしょう。まず、中心には回転シャフトまたはディスクがあります（幾何学的に言えば、ディスクは非常に短く、非常に広いシャフトにすぎません）。これは、配置の最も重いコンポーネントです。ディスクの中心を通る車軸は、ほぼ無摩擦のボールベアリングによってジンバルと呼ばれる円形の輪に取り付けられています。これは、物語が奇妙で非常に興味深い場所です。このジンバル自体は、同様のボールベアリングによってわずかに幅が広い別のジンバルに取り付けられているため、内側のジンバルは外側のジンバルの範囲内で自由に回転できます。ジンバルの相互接続点は、中央ディスクの回転軸に垂直な線に沿っています。最後に、外側のジンバルは、さらに滑らかな滑空ボールベアリングによって3番目のフープに取り付けられ、これがジャイロスコープのフレームとして機能します。
（ジャイロスコープの図を参照するか、リソースの短いビデオを視聴する必要があります。それ以外の場合、これらすべてを視覚化することはほとんど不可能です！）
ジャイロスコープの機能の鍵は、相互接続されているが独立して回転する3つのジンバルが3つの平面または次元での動きを可能にすることです。何かが内部シャフトの回転軸を乱す可能性がある場合、ジンバルは協調的に力を「吸収」するため、この乱れは3次元すべてで同時に抵抗できます。本質的に起こることは、ジャイロスコープが経験した外乱に応じて2つの内側リングが回転するとき、それぞれの回転軸はシャフトの回転軸に垂直にとどまる平面内にあるということです。この平面が変わらない場合、シャフトの方向も変わりません。
ジャイロスコープの物理学
トルクとは、真っ直ぐではなく、回転軸の周りに加えられる力です。したがって、直線運動ではなく回転運動に影響を与えます。標準単位では、「レバーアーム」に力を掛けたものです（回転の実際または仮想の中心からの距離。「半径」と考えてください）。したがって、N⋅mの単位があります。
動作中のジャイロスコープが達成するのは、加えられたトルクを再分配することで、これらのトルクが中央シャフトの動きに影響を与えないようにすることです。ここで、ジャイロスコープは何かを直線的に動かし続けることを目的としていないことに注意することが重要です。それは何かを動かし続けるためのものです 一定の回転速度で。あなたがそれについて考えるならば、あなたは月へ、またはより遠くの目的地へ旅行する宇宙船がポイントツーポイントに行かないとおそらく想像することができます。むしろ、彼らは異なる体によって発揮される重力を利用し、軌道または曲線を移動します。コツは、この曲線のパラメーターが一定であることを確認することです。
ジャイロスコープの中心を形成するシャフトまたはディスクは重くなる傾向があることに注意してください。また、異常な速度で回転する傾向があります。たとえば、ハッブル望遠鏡のジャイロスコープは、毎分19,200回転、または毎秒320回転します。表面的には、科学者がそのような敏感な機器に、その真ん中に無謀なフリーホイール（文字通り）コンポーネントを吸い込むことを装備するのは不合理なようです。代わりに、もちろん、これは戦略的です。物理学における運動量は、単に質量と速度の積です。同様に、角運動量は 慣性 （以下に示すように、質量を組み込んだ量）×角速度。その結果、ホイールの回転が速くなり、質量が大きくなり慣性が大きくなるほど、シャフトの角運動量が大きくなります。その結果、ジンバルと外部ジャイロスコープのコンポーネントは、外部トルクの影響を空間内でシャフトの方向を乱すのに十分なレベルに達する前にミュートする高い能力を備えています。
エリートジャイロスコープの例：ハッブル望遠鏡
有名なハッブル望遠鏡にはナビゲーション用に6種類のジャイロスコープが含まれており、これらは定期的に交換する必要があります。ローターの回転速度がずれるのは、ボールベアリングがこの口径のジャイロスコープにとって実用的ではないか不可能であることを意味します。代わりに、ハッブルはガスベアリングを含むジャイロスコープを使用します。これは、人間が構築したものが誇ることができる、真に摩擦のない回転体験に近いものを提供します。
ニュートンの第一法則が時々「慣性の法則」と呼ばれる理由
慣性は、速度と方向の変化に対する抵抗です。これは、何世紀も前にアイザックニュートンが定めた正式な宣言の一般版です。
日常言語では、「慣性」とは通常、「芝生を刈るつもりだったが、慣性によってソファに固定されたままになる」など、動きたがらないことを指します。しかし、物理学の観点からここでの用語の使用が同様に許容されるとしても、慣性の影響のために26.2マイルマラソンの終わりに達した人が停止することを拒否するのを見るのは奇妙です。ランナーは同じ方向に同じ速度で走り続けましたが、技術的には仕事での慣性です。そして、「カジノを去ろうとしていたが、慣性によってテーブルからテーブルへと移動し続けた」など、慣性の結果として何かをやめることに失敗したと人々が言う状況を想像できます。 （この場合、「モメンタム」の方が優れている可能性がありますが、それはプレイヤーが勝っている場合のみです！）
慣性は力ですか？
角運動量の方程式は次のとおりです。
L =Iω
Lの単位はkg⋅mです2/ s。角速度の単位ωは秒の逆数またはs-1であるため、Iは慣性であり、kg⋅m2。標準的な力の単位であるニュートンは、kg⋅m / sに分解されます。2。したがって、慣性は力ではありません。これは、力のように「感じる」（圧力が良い例である）他のもので起こるように、フレーズ「慣性力」が主流の用語に入るのを妨げていません。
サイドノート：質量は力ではありませんが、2つの用語が日常の設定で同じ意味で使用されているにもかかわらず、重量は力です。これは、重量は重力の関数であり、地球を長期間離れる人はほとんどいないため、地球上の物体の重量は、その質量が文字通り一定であるのと同じように事実上一定です。
加速度計は何を測定しますか？
加速度計は、その名が示すとおり、加速度を測定しますが、直線加速度のみを測定します。つまり、これらのデバイスは、多くの3次元ジャイロスコープのアプリケーションでは特に有用ではありませんが、動きの方向を1次元でのみ発生させることができる状況（たとえば、典型的なエレベーター）では便利です。
加速度計は慣性センサーの一種です。ジャイロが角加速度を測定することを除いて、ジャイロスコープは別のものです。そして、このトピックの範囲外ですが、磁力計は第3の種類の慣性センサーであり、これは磁場に使用されます。バーチャルリアリティ（VR）製品は、これらの慣性センサーを組み合わせて組み込み、ユーザーにより堅牢で現実的な体験を提供します。