Efekt żyroskopowy
Czym jest?
Efekt żyroskopowy jest to zdolność do utrzymywania orientacji w przestrzeni przez obracającą się bryłę. Dzieje się tak dzięki zasadzie zachowania momentu pędu. Pierwszy raz został opisany przez Jeana Foucaulta w 1852 roku.
Przyrząd demonstrujący efekty żyroskopowe jest nazywany żyroskopem. Ma on postać krążka, który raz wprawiony w szybki ruch obrotowy zachowuje swoje pierwotne położenie osi obrotu. Niewielkie odchylenia są powodowane ruchami precesyjnymi, które są uwzględniane w określaniu kierunku lub są eliminowane przez tłumienie.
Obracające się ciało o ograniczonej swobodzie ruchu osi obrotu (na przykład unieruchomione wzdłóż jednej z osi kartezjańskiego układu współrzędnych) to bąk, żyroskop jest też nazywany bąkiem swobodnym.
Żyroskopy są używane do budowy żyrokompasów, które mają szerokie zastosowanie w nawigacji, w urządzeniach do wskazywania wybranego kierunku używanych w samolotach, śmigłowcach, statkach itp. Urządzenie zbudowane na tej zasadzie jest nazywane żyroskopem, żyrokompasem lub kompasem żyroskopowym. Żyroskop montuje się także w żyroteodolicie do wyznaczania azymutu geograficznego.
Ciekawostka: Zachowanie żyroskopu wynika bezpośrednio z zasady zachowania momentu pędu, toteż wiele obracających się ciał wykazuje własności żyroskopowe. Zaliczyć do nich można np. ciała niebieskie! Każde obracające się wokół własnej osi ciało niebieskie wykazuje efekt żyroskopowy, a co za tym idzie, także precesję. Dla Ziemi okres precesji wynosi 25 920 lat.
Wykonamy proste doświadczenie prezentujące efekt żyroskopowy.
Co musimy mieć?
Po pierwsze potrzebujemy żyroskopu. Jego funkcję może pełnić każde dobrze wyważone koło zamachowe. Można użyć koła z niedziałającego magnetofonu:
Moglibyśmy rozkręcić go za pomocą własnych mięsni, lecz postąpimy inaczej. Umieścimy go na osi mikrosilnika elektrycznego. Potrzebny nam będzie mikrosilnik z osiami wystającymi po obu stronach. Na oś z jednej strony wciskamy żyroskop po uprzednim usunięciu jego własnej osi:
Mikrosilnik łączymy ze źródłem napięcia cienkimi, giętkimi przewodami. Następnie trzymając mikrosilnik w dłoni podłączamy napięcie - tarcza żyroskopu zacznie się rozpędzać. Po osiągnięciu maksymalnych obrotów połóżmy delikatnie żyroskop na osi wystającej po przeciwnej stronie. Żyroskop się nie przewróci, nawet jeśli następnie go lekko popchniemy. Silniczek utrzymując ciągle dużą prędkość tarczy nie pozwala na przewrócenie się całości. Efekt żyroskopowy jest wystarczająco silny by pokonać siły pochodzące od grawitacji, a starające się przewrócić urządzenie.
Życzę miłej i pouczającej zabawy:)
Literatura dodatkowa:
- Audin M., Spinning Tops: A Course on Integrable Systems, Cambridge University Press, Nowy Jork, 1996
- Foucault L., Sur les phénomènes d’orientation des corps tournants entraînés par un axe fixe à la surface de la terre — Nouveaux signes sensibles du mouvement diurne, Comptes rendus hebdomadaires des séances de l’Académie des Sciences, 1852, vol. 35, str. 424–427
- Klein F., Sommerfeld A., Über die Theorie des Kreisels, B.G. Teubner, Leipzig, Berlin, 1898–1914. vol. 4.
- Provatidis C.G., Revisiting the Spinning Top, International Journal of Materials and Mechanical Engineering, 2012, vol. 1, no. 4, str. 71–88
Marek Ples