دانلود مقاله ژیروسکوپ

وقتی که کسی دوچرخه سواری را یاد می گیرد، بی آن که خود متوجه باشد از خاصیت ژیروسکوپ استفاده می کند.

همین طور وقتی که شما در بازی فوتبال، توپ را به گردش در می آورید باز این کار شما به ژیروسکوپ مربوط می شود.

در جهان دانش، ژیروسکوپ به منزله قلب است که در بسیاری از دستگاه ها و ابزارهای نیرومند، کار گذاشته شده است.

مثلاً به کمک آن حتی کشتی های غول پیکر و هواپیماها نیز به حرکت درمی آیند با این همه، ژیروسکوپ به قدری ساده است که دوچرخه و حتی فرفره و برخی دیگر از اسباب بازی های کودکان نیز بر اساس آن درست شده اند.

وقتی جسم گردانی (مثلاً توپ) را به حال خود رها کنیم، پیوسته در فضا، گِردِ محور ثابتی خواهد چرخید.

یعنی آن که شما می توانید یک خط موهوم را فرض کنید که از مرکز آن «جسم گردان» گذشته، دایماً در جهت معینی به گردش خود ادامه می دهد.

این حرکت به خودی خود آن قدر ادامه می یابد تا لحظه ای که چیزی از خارج بیاید و جلوی آن را بگیرد.

برای مثال، توپی که بر محور معینی چرخش خود را آغاز کرده، بر همان محور ثابت می ماند.

مگر آن که بادی تند بوزد و یا ضربه‌ مشتی بر آن وارد شود که در این صورت به مسیر دیگری در خواهد افتاد.

-یک مثال دیگر: فرفره کوچکی رابچرخانید فرفره حول محورش و روی نوک تیزخود شروع به چرخش می کند.بدون چرخش فرفره امکان ایستادن فرفره روی نوکش وجود ندارد.این توضیح ساده مبنای کارکرد ژیروسکوپ های مکانیکی می باشد و از این منظر زمین یک ژیروسکوپ بزرگ است که به علت دوران محور خود رادر فضا ثابت نگه می دارد.

حرکت کره زمین نیز مثال دیگری است برای ژیروسکوپ.

زمین مانند فرفره بسیار بزرگی است که محور آن از قطب شمال به قطب جنوب امتداد یافته است.

جهت این محور همیشه ، چه در شب و چه در روز و در طول همه ایام سال ، و همه سال ها ، به سوی ستاره قطبی وقتی که کسی دوچرخه سواری را یاد می گیرد، بی آن که خود متوجه باشد از خاصیت ژیروسکوپ استفاده می کند.

مثلاً به کمک آن حتی کشتی های غول پیکر و هواپیما ها نیز به حرکت درمی آیند با این همه، ژیروسکوپ به قدری ساده است که دوچرخه و حتی فرفره و برخی دیگر از اسباب بازی های کودکان نیز بر اساس آن درست شده اند.

جهت این محور همیشه ، چه در شب و چه در روز و در طول همه ایام سال ، و همه سال ها ، به سوی ستاره قطبی میباشد محور ژیروسکوپ را محور چرخش می نامند .

می دانید وقتی که بخواهید محور ژیروسکوپ را تغییر بدهید یک چیز جالب در آن جا رخ خواهد داد؟

فرض کنید، محور چرخش افقی است.

حالا فشاری بر نوک آن وارد آورده، می خواهید محور را به وضع عمودی در آورید.

اما ناگهان متوجه می شوید که حرکت آن هرگز طبق انتظار شما تغییر نمی یابد، بلکه نسبت به نیروی حاصل از فشار عمودی شما پیوسته در زاویه های قائمه ای به حرکت خود ادامه می دهد.

پس می بینیم که محور، همچنان به طور افقی حرکت می کند.

به همین دلیل است که دوچرخه سوار وقتی که حس می کند دارد به طرف راست می افتد چرخ را اندکی به همان طرف راست متمایل می گرداند.

در این طرف صورت، چرخ متحرک دوچرخه بر بدنه آن، نیرویی به صورت زاویه قائمه، وارد می آورد.

آن گاه به جای آن که دوچرخه سوار به سمت راست فرو افتد حرکت خود را به پیش ادامه می دهد و در ضمن چرخ هم راست می شود.

با کنترل این نیروهاست که دانشمندان توانسته اند به کمک «ژیروسکوپ» اژدرافکن و دستگاه های بمب افکن خودکار را به کار اندازند.

در یک هوای طوفانی، ژیروسکوپ تنها دستگاهی است که هواپیما را به حالت ثابت نگه می دارد.

پس ژیروسکوپ در هوانوردی نیز ارزش بسیار دارد.

همین گونه اگر می بینید که کشتی در دریای پرتلاطم واژگون نمی شود باز این فایده‌ ژیروسکوپ های بزرگ و نیرومندی است که در زیر بدنه کشتی نصب شده اند و امواج شدید و پیاپی دریا را خنثی می کنند.

دلیل چیست؟

طبق اصل بقای اندازه حرکت زاویه ای هر جسم متقارن در حال چرخش سعی دارد جهت خود را همواره حفظ کند از اینرو اگر یک جسم متقارن رابا دور بالا بچرخانیم واطراف انرا با یاتاقان و بلبرینگ ازاد بگذاریم که نیروهای خارجی بر ان اعمال نشود با چرخش قابی که جسم درون ان دوران می کند جهت چرخش جسم دوار تغییر نمی کند.

بنا براین میتوانیم با کمک این وسیله در اجسام متحرک جهت ثابتی داشته باشیم که وضعیت فعلی خود را در هر لحظه با ان مقایسه نماییم و لذا موقعیت زاویه ای و بامحاسبه سرعت تغییرسرعت زاویه ای را بدست اوریم.

عضو اصلی ژیروسکوپ های مکانیکی یک دستگاه دوار یا روتور است که معمولا با سرعت زیادحول محور تقارن خود دوران می کند این سرعت از 3000 تا 300000 دور در دقیقه میباشد لذا در اثر اینرسی جرم دوار اندازه حرکت نسبتا بزرگی ایجاد می شود.اگر یاتاقان بندی محور چرخش را در طوقه ای معلق تعبیه کنیم به نحوی که گشتاور خارجی به ان وارد نشود با تمام وجود حرکت های قاب محور چرخش روتور همواره به جهت ثابتی اشاره می کند و موقعی تخود را در فضا حفظ میکند.با این روش می توان جهت ویا محور های ثابتی را برای وسیله نقلیه تعریف کرد که هر گونه حرکت زاویه ای نسبت به این محورها سنجیده شود.

متحرک روتور - انواع متحرک های روتور: ۱)موتور الکتریکی: در ژیروسکوپ ها معمولا از موتور الکتریکی استفاده می شود چرا که نیاز به سرعت بسیار بالا در ابعاد کوچک است، معمولا در این موتور برای ایجاد ممنتوم بیشتر، روتور خارج استاتور قرار می گیرد.

۲)محرک نخی یا تسمه ای: در موشکها و مواردی که در مدت زمان کوتاهی نیاز است استفاده می شود با کشیدن نخ یا تسمه روتور شروع به چرخش می نماید، این محرک در موشکهای برد کوتاه کاربرد دارد.

از محرک نخی در موشک کبری و از محرک تسمه ای در موشک مالیوتکا استفاده می شود.

۳) گاز تحت فشار: با دمیدن گاز در پرده های روتور، روتور با سرعت زیادی به چرخش در می آید، در موشک تاو استفاده شده است.

۴)فنر : از فنر نیز جهت حرکت محرک استفاده می شود، در بعضی از موارد برای رسیدن به سرعت بسیار بالا در زمان کم از ترکیب فنر و موتور الکتریکی استفاده می شود.

۵)چاشنیهای انفجاری : از چاشنیهای انفجاری نیز در داخل روتور استفاده می شود.

-تاریخچه: کلمه ژیروسکوپ واژه ای یونانی است که از دو بخش جایرو به معنای دوران واسکوپ به معنای نشان دادن است.به این ترتیب معنای تحت الفظی ان دوران نما است که بیانگر وظیفه ان نیز می باشد .نخستین پدیده ژیرو سکوپی 125 سال قبل ازمیلاد حضرت مسیح توسط ابرخوس کشف شد.تا زمان نیوتن یعنی اواخر قرن هفدهم میلادی تحول چندانی در این خصوص صورت نگرفت.اما قرن هیجدهم میلادی برخی محققین مانند اویلر تحقیقات قابل ملاحظه ای در دینامیک اجسام دوار صورت دادند.در همین قرن در انگلستان درباره ایجاد یک افق مصنوعی برای کشتی ها برسی هایی به عمل امد.به این منظور از یک قرقره دوار استفاده شد که یک اینه مسطح عمود بر امتداد محور چرخش ان قرار داشت.

ابرخوس دانشمند یونانی اواسط قرن نوزدهم فوکو دانشمند فرانسوی برای نشان دادن دوران زمین از یک ژیروسکوپ استفاده کرد که این کار به علت نداشتن یک موتور الکتریکی مناسب به شکل دقیقی انجام نگرفت.همین دانشمند بود که برای نخستین باردر سال 1852 میلادی نام ژیروسکوپ را برای ان برگزید.در سال 1900 شخصی المانی به نام انشوش کامف تصمیم به ساختن زیر دریایی برای کاوش در قطب شمال گرفت.اما وسایل دقیق برای این کار وجود نداشت.به ویژه قطب نماهای مغناطیسی در محدوده قطب شمال به دلیل وجود میدان های مغناطیسی قوی از دقت وعملکرد صحیح می افتادند.از این رو تلاش کرد تا قطب نمای دیگری که مستقل ازخواص مغناطیسی عمل کند بسازد.تلاش وی منجر به ساخت قطب نمایی شد که بر اساس خواص ژیروسکوپی کار می کردو ان را قطب نمای ژیروسکوپی نام نهادند.این قطب نما در واقع نخستین وسیله دقیق هدایت و راهیابی استکه بر اساس اصول اینرسی کار می کرد.پیشرفت صنعت و پدیدار شدن وسایل نقلیه فضایی لزوم ابداع و هدایت و کنترل دقیق را بیش از پیش اشکار ساخت.به ویژه وقوع جنگ جهانی اول و دوم و تولید نسل های جدید انواع هواپیماها و موشک ها دانشمندان و محققین را به نحو بارزی بر ان داشت تا در زمینه ابداع وسایل نقلیه دقیقترو با کیفیت بالاتر تلاش بیشتری صورت دهند.

قدم اساسی در این زمینه طی جنگ جهانی دوم در دانشگاه ام.ای.تی امریکا برداشته شد که تحت سرپرستی شخصی به نام چارلز دراپرژیروسکوپ هایی دقیق و کوچک برای نصب روی هواپیما ساخته شدکه به خاطر همین تلاش هایش اورااقای جایرو لقب نهادند.پس از جنگ جهانی دوم روش هدایت وناوبری اینرسی به عنوان روشی دقیق و قابل اعتماد برای هدایت وسایل فضایی ساخته شد.نخستین سامانه هدایت که به طور کامل بر مبنای اصول اینرسی توسط ژیروسکوپ ها و شتاب سنج ها عمل می کردو در ان از یاتاقان های گازی برای تعلیق طوقه ها استفاده شده بود درسال 1950 مورد ازمایش پروازی قرار گرفت.

امروزه نیز سامانه هدایت اینرسی به عنوان یکی از مهمترین روش هابرای هدایت و کنترل در امر هوانوردی و فضانوردی و همچنین هدایت موشک ها کشتی ها و زیر دریایی ها به طور گسترده مورد استفاده قرار داردو به این امر انواع مختلفی از ژیروسکوپ ها و شتاب سنج ها اختراع شده اندکه به اختصار انواع انها را توضیح خواهیم داد.

- انواع حرکتهای متحرک در فضا: هر متحرک در فضا 6 درجه آزادی دارد که 3 حرکت خطی و 3 حرکت دورانی است برای مشخص نمودن حرکت دورانی متحرک در فضا از 3 محور عمود بر هم استفاده می شود که عبارتند از: محور رول یا محور طول، محور پیچ یا محور عرضی و محور یاو.

- محور رول: محور طولی یا محور جلو – عقب را محور رول می نامند و حرکت رول یعنی دوران متحرک حول محورطولی خودش.

- محور پیچ: محور عرضی یا جنبی را محور پیچ گویند.

و حرکت پیچ دوران متحرک حول محور عرضی خودش است که محوری افقی است و عمود بر محور طولی می باشد.

- محور یاو: محور عمود بر دو محور یاو و پیچ است و دوران متحرک حول این محور قائم را دوران یاو گویند.

صفحه YZ صفحه ZX صفحه XY it rolls it pitches it yaws حرکت the bank attitude the pitch attitude the heading زاویه به دلیل دقت و حساسیت کار معمولا از ژیروسکوپ با 3 درجه آزادی استفاده نمی شود از 3 ژیروسکوپ با یک درجه ازادی یا 2 ژیروسکوپ 2 درجه ازادی استفاده می شود.

-ساختمان اساسی انواع ژیروسکوپ: ژیرو سکوپ ها از نظر ساختمان به دو دسته "یک درجه ازادی"و "دو درجه ازادی" تقسیم می شوند که در این تقسیم بندی ها توانایی حرکت روتور نسبت به بدنه یا چارچوب ژیروسکوپ مورد نظر است.

اگرروتورعلاوه برحرکت دورانی خود حول محور چرخش بتواند حول یک محور دیگر دوران کند به ان ژیروسکوپ یک درجه ازادی می گویند وچنانچه بتوتند حول دو محور دیگر دوران کند به ان ژیروسکوپ دو درجه ازادی اطلاق می شود.

-ژیروسکوپ دودرجه ازادی: ژیروسکوپ دو درجه ازادی نخستین نوع ژیروسکوپ است وبیشتر در سامانه های کنرل اتش وسایل کنترل موقعیت و قطب نماهای ژیروسکوپی از ان استفاده می شود.این ژیروسکوپ را ژیروسکوپ دو محوره یا ژیروسکوپ سه بدنه ای نیز می نامند.این نوع ژیروسکوپ افزون بر محور چرخش رتور دارای دو محور دوران دیگر نیز می باشد که توسط دو عدد طوقه معلق درونی و بیرونی فراهم شده است و در حالت عادی محور چرخش و این دو محور نسبت به هم متماعد هستند.مجموعه طوقه داخل(که در واقع تکیه گاه محور چرخش را فراهم می کند) محور چرخش و روتور را مجموعه دوار می گویند.تکیه گاه های طوقه داخلی در طوقه خارجی قرار دارد که می تواند در ان دوران کند.طوقه خارجی نیز به نوبه خود درون تکیه گاه هایی قرار دارد که در بدنه ژیروسکوپ تعبیه شده و می تواند داخل ان ها حرکت دورانی داشته باشد.برای اندازه گیری حرکت های محور چرخش حول دو محور طوقه داخلی و خارجی از نوع حس کننده- که در امتداد این محورها سوار شده است- استفاده می شود.همچنین برای ایجاد حرکت های عمدی ومشخس و اندازه گیری شده محور چرخش حول این دو محوراز وسایل محرکه مختلفی مانند مولد گشتاوراستفاده می شود.

ژیروسکوپ دو درجه آزادی -ژیروسکوپ یک درجه ازادی: ژیروسکوپ یک درجه ازادی نوع تکمیل شده ژیروسکوپ دو درجه ازادی بوده و پس از ان بوجود امده است.در این نوع ژیروسکوپ سه محور متعامد مشخص وجود دارد که عبارتند از محور ورودی (که بدنه حول ان دوران می کند)محور خروجی(که محور دوران طوقه نسبت به بدنه است)ومحور چرخش.در ابتدا این سه محور کاملا بر هم عمودند.روتور این نوع ژیروسکوپ به جز حرکت حول محور چرخش تنها میتواند حول یک امتداد دیگر یعنی امتداد محور طوقه داخلی دوران نماید(نسبت به بدنه جایرو) .ژیروسکوپ یک درجه ازادی را میتوان در حالت کلی به سه دسته تقسیم کرد.

ژیروسکوپ های سرعتی: در این نوع عامل بازگرداندن طوقه مجموعه دوار به وضعیت اولیه یک عنصر الاستیک مانند فنر است و برای تعیین سرعت زاویه ای وسیله نقلیه ای – که ژیروسکوپ روی ان سوار شده – به کار می رود و در چنین حالتی محور ورودی عمود بر دو محور چرخش و طوقه است.

ژیروسکوپ سرعتی نمونه ای از ژیروسکوپ های یک درجه ازادی ژیروسکوپ های مقید: چناچه در ژیروسکوپ انتگرالی از سیال با لزجت کم ویا گاز استفاده شود در این صورت واکنش قابل توجهی به عنوان گشتاور ناشی از دمپینگ سیال نداریم و تنها عاملی که سعی می کند از خارج شدن طوقه از وضعیت اولیه جلوگیری کند واکنش اینرسی مجموعه دوار است.به چنین ژیروسکوپ هایی ژیروسکوپ غیر مقید می گویند.

ژیروسکوپ های انتگرالی: در این نوع عامل اصلی مقاومت در برابر دوران طوقه مجموعه دوار حول محور خودش نسبت به بدنه ژیروسکوپ گشتاور ناشی از دمپینگ سیالی با لزجت بالا است و برای اندازه گیری جا به جایی دورانی به کار میرود.در این نوع ژیروسکوپ چون مجموعه در یک سیال شناور است اصطکاک تکیه گاه های محور خروجی کاهش می یابد و در نتیجه خطای ژیروسکوپ کم می شود.

ژیروسکوپ انتگرالی تقسیم بندی ژیروسکوپ ها: علاوه بر تقسیم بندی بر حسب درجات تعداد ازادی ژیروسکوپ ها را می توان بر حسب نوع کاربرد نیز تقسیم بندی نمود.بر این مبنا ژیروسکوپ ها به چهار رده تقسیم می شوند.

- ژیروسکوپ هایی که در بخش هدایت و ناوبری کاربرد دارند: وظیفه اصلی این ژیروسکوپ ها ایجاد امتداد هایی معین در فضای اینرسی است .

این نوع ژیروسکوپ ها بسیار دقیق بوده و توانایی حس کنندگی بالایی دارند.خطای انها کم بوده و بیشتر در هواپیماها بالگردها فضاپیماها و موشک های دوربرد به کارمی روند.

- ژیروسکوپ هایی که در بخش پایداری و کنترل به کار می روند: وظیفه اصلی این ژیروسکوپ ها حس کردن و کنترل حرکت های زاویه ای است.این ژیروسکوپ ها نیاز به دقت های به کار رفته در ژیروسکوپ های نوع قبل را ندارنداین نوع ژیروسکوپ ها در هواپیماها و موشک ها به کار می رود که البته وظیفه انها نسبت به ژیروسکوپ های هدایت و ناوبری متفاوت است.

- ژیروسکوپ هایی که دردرگیری هدف یابی و در پایداری و کنترل انتن وسایل فضایی به کار می روند.

این نوع ژیروسکوپ در موشک هایی که صفحه رادار انها روی هدف قفل می شود و به این ترتیب موشک را تارسیدن به هدف هدایت می کند- کاربرد دارد.

- ژیروسکوپ هایی که برای تجزیه وتحلیل اطلاعات پروازی (در حین پرواز یا پس از ان) به کار می روند.

-انواع ژیروسکوپ: - ژیروسکوپ DTG این ژیروسکوپ که بر اساس اندازه حرکت زاویه ای عمل می کند تقریبا در سال 1960 ابداع شد.در این ژیروسکوپ عامل اصلی دوران یک موتور الکتریکی است که محور دوران ان توسط یک زوج میله – که خاصیت فنر پیچشی دارند – به طوقه متصل شده است.خود طوقه نیز توسط زوج میله دیگری با خاصیت فنر پیچشی به روتور –که بر خلاف انواع پیشین در قسمت بیرونی طوقه قرار دارد-متصل است.خاصیت این دو زوج میله های فنری این است که در یک سرعت خاص از دوران- که به ان حالت "تشدید" می گویند-عملکرد ان ها به گونه ای است که دستگاه مانند یک ژیروسکوپ روتور ازاد عمل می کند.این ژیروسکوپ ها از نظر ابعاد بسیار کوچک و سبک هستند.

-ژیروسکوپ های لیزری: این ژیروسکوپ برخلاف ژیروسکوپ های قبلی دارای هیچ جسم متحرکی که ایجاد اندازه حرکت خطی یا زاویه ای کند نیست.لکن ازانجا که کاربرد ان شبیه ژیروسکوپ های معمولی برای اندازه گیری دوران است ان را درزمره ژیروسکوپ ها رده بندی می کنند.

در این ژیروسکوپ از دوپرتو نور لیرز در یک مسیر بسته و در جهت مخالف استفاده می شود .نخستین نمونه تجاری ان در هواپیماهای بویینگ 757-767 وایرباس 310 به کار رفته است.

مزیت ان قابلیت اطمینان بیش تر دامنه دینامیکی وسیع ترومقاومت خوب درمقابل شتاب های زیاد است .

ژیروسکوپ فیبرنوری : این ژیروسکوپ تحقق اخرین اندیشه های بشر در ساخت ژیروسکوپ است چرا که در نوع خود کوچک بوده و به طور انی روشن می شود عمرطولانی دارد.احتیاجی به خدمات نگهداری نداشته و ارزان است.همچنین احتیاج به سامانه تعلیق طوقه ای ندارند.مبنای عملکرد این ژیروسکوپ شبیه ژیروسکوپ لیزری است با این تفاوت که دران به جای لیزر از یک نور پولاریزه استفاده شده و به جای مسیر لیزر از فیبرنوری استفاده می شود.

-ژیروسکوپ دیا پازونی: نوع دیگری از ژیروسکوپ –که بر اساس اندازه حرکت خطی عمل می کند- از سامانه حفظ تعادل برخی حشرات الهام گرفته شده است.این حشرات با استفاده از دو عضو غضروفی مرتعش کوچک- که در طرفین بدنشان قرار دارد –تعادل خود را حفظ می کنند.ژیروسکوپی که بر این مبنا ساخته شده است به ان "ژیروسکوپ دیاپازونی"یا "ژیروسکوپ اتعاشی" می گویند.روی پایه اصلی این ژیروسکوپ دو شاخک فلزی (شبیه دیاپازون) قرار دارد که توسط اهنربای الکتریکی به نوسان در می اید.این نوسانات در جهت عکس یکدیگر است یعنی یا از هم دور می شوند یا به هم نزدیک می شوند.در اثر این دو حرکت هر ذره مادی از شاخک ها دارای مولفه شتاب کوریولیس خواهد شد که راستای این شتاب درامتدادمحورx است.

نمونه ای از کاربرد های ژیروسکوپ -سیستم ناوبری اینرسی: این سیستم مجموعه ی است از 3 ژیروسکوپ یک درجه آزادی و یا 2 ژیروسکوپ دو درجه آزادی و 3 شتاب سنج که جهت ایجاد محور مختصات ینرسی و بدست آوردن سرعت و شتاب زاویه ی استفاده می شود.

نمی کلی و بلوک دیاگرام آن در شکل هی پیین موجود است: -سیستم خلبان خودکار ساده و بصورت پنومانیک به شرح زیر است: