Gyroskop

Rozbalit box

Obsah boxu

Gyroskop je zařízení, které využívá zákon zachování momentu hybnosti k měření nebo udržování orientace v prostoru. Jeho základem je setrvačník (rotor) rotující vysokou rychlostí kolem své osy. Klíčovou vlastností gyroskopu je tzv. gyroskopická setrvačnost, což je schopnost osy rotujícího tělesa zachovávat svůj směr v prostoru, pokud na ni nepůsobí vnější síly. Pokud vnější síla působí, osa neuhne v jejím směru, ale začne vykonávat krouživý pohyb zvaný precese.

Tento princip umožňuje gyroskopům sloužit jako základní komponenty v inerciálních navigačních systémech, stabilizačních zařízeních a mnoha moderních technologiích, od letectví a kosmonautiky až po spotřební elektroniku, jako jsou chytré telefony a drony.

📜 Historie

Ačkoliv princip gyroskopu byl znám implicitně po staletí díky pozorováním rotujících těles jako je dětská káča, jeho vědecké zkoumání a praktické využití je záležitostí posledních dvou století.

🏛️ První přístroje

První zařízení podobné gyroskopu, nazvané "Machine", zkonstruoval v roce 1817 německý astronom a matematik Johann Bohnenberger. Skládalo se z rotující koule v Cardanových závěsech a sloužilo jako demonstrační pomůcka pro výuku rotační dynamiky a precese.

Skutečný průlom však přišel v roce 1852, kdy francouzský fyzik Léon Foucault použil podobné zařízení k experimentálnímu důkazu rotace Země. Právě Foucault dal přístroji název "gyroskop", složený z řeckých slov gyros (kruh, otáčení) a skopein (vidět, pozorovat), tedy doslova "pozorovatel otáčení". Jeho gyroskop byl schopen udržet svou orientaci v prostoru, zatímco se Země pod ním otáčela, což bylo pozorovatelné jako zdánlivý pohyb gyroskopu vůči laboratoři. Tento experiment byl přímým doplňkem jeho slavnějšího experimentu s Foucaultovým kyvadlem.

🚢 Praktické aplikace 20. století

Na počátku 20. století se gyroskopy začaly přetvářet z laboratorních kuriozit na praktické nástroje. V roce 1904 si německý vynálezce Hermann Anschütz-Kaempfe nechal patentovat první funkční gyroskopický kompas (gyrokompas). Tento přístroj, na rozdíl od magnetického kompasu, není ovlivňován magnetickým polem Země ani kovovými částmi lodí a dokáže přesně určit směr k zeměpisnému severnímu pólu.

Americký vynálezce Elmer Sperry navázal na tento vývoj a zkonstruoval vylepšené gyrokompasy a také první gyroskopické stabilizátory pro lodě a letadla. Jeho společnost Sperry Gyroscope Company se stala klíčovým dodavatelem pro americké námořnictvo během první i druhé světové války. Během druhé světové války se gyroskopy staly nepostradatelnou součástí zaměřovačů, autopilotů a navigačních systémů bombardérů, jako byl například B-29 Superfortress.

⚙️ Princip fungování

Funkce gyroskopu je založena na základních principech klasické mechaniky, především na chování rotujícího tělesa.

⚖️ Moment hybnosti a gyroskopická setrvačnost

Každé rotující těleso má moment hybnosti, což je vektorová veličina popisující jeho rotační stav. Směr vektoru momentu hybnosti je shodný se směrem osy rotace a jeho velikost je úměrná momentu setrvačnosti tělesa a jeho úhlové rychlosti.

Podle zákona zachování momentu hybnosti zůstává celkový moment hybnosti izolované soustavy konstantní. Pro gyroskop to znamená, že pokud na něj nepůsobí vnější moment síly, osa jeho rotoru si bude udržovat stálou orientaci vůči inerciální soustavě (tj. vůči vzdáleným hvězdám). Tato vlastnost se nazývá gyroskopická setrvačnost nebo rigidita.

🔄 Precese a nutace

Pokud na rotující gyroskop začne působit vnější moment síly (například gravitace snažící se jej překlopit), výsledkem není okamžité překlopení, ale pohyb zvaný precese. Osa rotace se začne stáčet ve směru kolmém jak na osu rotace, tak na směr působícího momentu síly. Rychlost precese je přímo úměrná velikosti vnějšího momentu síly a nepřímo úměrná momentu hybnosti gyroskopu. Čím rychleji se rotor otáčí, tím pomalejší je precese.

Nutace je jemnější, kývavý nebo chvějivý pohyb, který se superponuje na precesní pohyb. Obvykle je způsobena počátečními poruchami a u většiny praktických aplikací je utlumena.

🔗 Stupně volnosti

Aby mohl gyroskop plně využít svou setrvačnost a udržovat orientaci v prostoru, musí být jeho rotor uložen tak, aby se mohl volně otáčet kolem tří os. Toho se obvykle dosahuje pomocí Cardanova závěsu, což je soustava tří soustředných, vzájemně otočných prstenců.

• Vnitřní prstenec drží osu rotoru (osa rotace).
• Střední prstenec se může otáčet kolem horizontální osy.
• Vnější prstenec se může otáčet kolem vertikální osy a je pevně spojen s tělesem přístroje.

Díky této konstrukci může těleso přístroje měnit svou orientaci, aniž by se změnila orientace osy rotujícího setrvačníku.

🔬 Typy gyroskopů

Kromě klasického mechanického gyroskopu byly vyvinuty i další typy, které využívají jiné fyzikální principy a nemají žádné pohyblivé části.

🔩 Mechanické gyroskopy

Jedná se o tradiční typ s rotujícím setrvačníkem uloženým v Cardanově závěsu. Jsou velmi přesné, ale mají i své nevýhody:

• Vyžadují určitý čas na roztočení rotoru na provozní rychlost.
• Obsahují pohyblivé části (ložiska), které podléhají tření a opotřebení, což omezuje jejich životnost a přesnost.
• Jsou citlivé na vibrace a velká zrychlení.

Používají se v aplikacích vyžadujících nejvyšší přesnost, jako jsou navigační systémy ponorek nebo kosmických lodí.

💡 Optické gyroskopy

Optické gyroskopy nemají žádné pohyblivé části a jejich funkce je založena na Sagnacově efektu. Tento jev popisuje fázový posun mezi dvěma paprsky světla, které obíhají stejnou dráhu v opačných směrech v rotující soustavě.

• Kruhový laserový gyroskop (RLG): Využívá trojúhelníkovou nebo čtvercovou dráhu tvořenou zrcadly, ve které obíhají dva laserové paprsky. Rotace zařízení způsobí nepatrný rozdíl v drahách paprsků, což vede k měřitelnému rozdílu v jejich frekvencích. Jsou velmi přesné a odolné, používají se hlavně v komerčních letadlech.
• Vláknový optický gyroskop (FOG): Paprsky světla zde putují cívkou s navinutým optickým vláknem o délce několika kilometrů. FOG jsou levnější, menší a odolnější vůči nárazům než RLG, a proto nacházejí uplatnění ve vojenských systémech, dronech a robotice.

📲 MEMS gyroskopy

MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) gyroskopy jsou miniaturizované senzory vyráběné na křemíkovém čipu. Nemají rotující setrvačník, ale využívají malou vibrující strukturu (rezonátor). Když se čip otáčí, na vibrující hmotu působí Coriolisova síla, která způsobí její sekundární pohyb kolmý na směr vibrací. Tento pohyb je detekován a převeden na elektrický signál odpovídající úhlové rychlosti.

MEMS gyroskopy jsou extrémně malé, levné a mají nízkou spotřebu energie. Díky tomu jsou dnes masově rozšířené ve spotřební elektronice:

• Chytré telefony a tablety (automatické otáčení obrazovky, stabilizace obrazu při focení, virtuální realita)
• Herní ovladače (např. Nintendo Joy-Con)
• Drony a kvadrokoptéry (stabilizace letu)
• Automobilové systémy (elektronická kontrola stability, navigace)

🌍 Využití

Gyroskopy jsou klíčovou technologií v širokém spektru oborů.

• Navigace: Tvoří srdce inerciálních navigačních systémů (INS). Kombinací gyroskopů (měřících orientaci) a akcelerometrů (měřících zrychlení) dokáže INS sledovat polohu, orientaci a rychlost objektu bez potřeby externích signálů, jako je GPS. To je klíčové pro ponorky, balistické rakety a kosmické lodě, nebo jako záloha pro letadla v případě výpadku GPS.
• Stabilizace: Gyroskopy se používají k aktivní stabilizaci. Velké gyroskopické stabilizátory omezují houpání velkých lodí na rozbouřeném moři. V menším měřítku stabilizují kamery v dronech, filmové kamery (Steadicam) nebo objektivy fotoaparátů. Hubbleův vesmírný dalekohled používá extrémně přesné gyroskopy k udržení své orientace pro pozorování vzdálených vesmírných objektů.
• Řízení a ovládání: V letadlech jsou gyroskopy součástí autopilota a umělého horizontu, který pilotovi ukazuje náklon letadla. V Segway a podobných samovyvažovacích vozítkách gyroskopy neustále monitorují náklon a dávají pokyny motorům k udržení rovnováhy.
• Vojenství: Kromě navigace raket a ponorek se gyroskopy používají ke stabilizaci hlavní tankových děl, což umožňuje přesnou střelbu i za jízdy v nerovném terénu.

💡 Pro laiky

Představte si obyčejnou dětskou káču. Když ji roztočíte, stojí vzpřímeně a je velmi stabilní. I když do ní lehce strčíte, nespadne, ale začne se její osa jakoby "kolébat" do strany. Gyroskop je v podstatě jen velmi precizní, dokonale vyvážená a rychle se točící káča, která je navíc uzavřená v rámečcích (tzv. Cardanově závěsu), jež jí umožňují volný pohyb do všech směrů.

Hlavní trik gyroskopu spočívá v jeho "neochotě" měnit směr, kterým míří jeho osa otáčení. Této vlastnosti se říká gyroskopická setrvačnost.

• **K čemu je to dobré?**

   1.  **Měření otáčení:** Pokud gyroskop umístíte do letadla, jeho osa si bude stále udržovat stejný směr (např. mířit na Polárku). Když se letadlo nakloní, osa gyroskopu zůstane na místě. Měřením úhlu mezi letadlem a osou gyroskopu tak přesně víme, jak moc se letadlo naklonilo. Na tomto principu funguje umělý horizont v kokpitu.
   2.  **Udržování stability:** Představte si dron. Kdyby neměl gyroskop, poryv větru by ho okamžitě převrátil. Miniaturní gyroskopy v dronu ale neustále měří jakýkoliv náklon a okamžitě posílají signál motorům, aby přidaly nebo ubraly na správné straně a dron vyrovnaly.

Dnešní gyroskopy v mobilech už nemají žádné točící se kolečko. Jsou to mikroskopické křemíkové součástky, které vibrují. Změna orientace pak ovlivňuje tyto vibrace způsobem, který lze elektronicky změřit. Princip je sice jiný, ale účel zůstává stejný: detekovat otáčení.

Šablona:Aktualizováno