Metalowy żyroskop Tedco
- Żyroskop to kolejne urządzenie z gatunku tych, które intrygują i wywołują podziw dla praw fizyki.
W skrócie:
- obracając się potrafi stać na jednej nodze,
- utrzymuje równowagę na czubku długopisu itp.
- utrzymuje równowagę na nitce,
- porusza zagadnienia brył obrotowych, zasadę zachowania momentu pędu,
- wykonany w USA.
Żyroskop to kolejne urządzenie z gatunku tych, które intrygują i wywołują podziw dla praw fizyki. Potrafiąc balansować na czubku palca, czy nawet na nitce zdaje się przeczyć prawom grawitacji. Ale czy na pewno? Poznaj urządzenie, którego zasada działania i skutki jakie temu towarzyszą wykorzystywane są w innych, nierzadko skomplikowanych urządzeniach - od roweru, do Międzynarodowej Stacji Kosmicznej!
Przedstawiamy Ci jedno z prostszych w budowie, ale za to szalenie fascynujące w działaniu urządzenie - żyroskop (gr. gyros - obrót, scopeo - obserwować).
Składa się on z metalowego krążka osadzonego na stelażu w taki sposób, aby krążek mógł się swobodnie w nim obracać wokół własnej osi.
Zaczynamy zabawę!
Nawiń na oś żyroskopu sznurek (dołączony do zestawu), a następnie pociągnij go za wolny koniec, wprawiając tym samym żyroskop w szybki ruch obrotowy. Teraz zaczyna się fizyczna magia...
Żyroskop potrafi ustać nawet na bardzo niewielkiej podstawie. Właściwie można by umieścić go nawet na ostrzu igły.
Specyfikacja:
- ręcznie robiony metalowy żyroskop,
- plastikowa podstawka,
- pudełko z pleksi,
- sznurek do rozpędzania żyroskopu,
- prosty, estetyczny wygląd,
- nie wymaga zasilania.
Żyroskop prezentuje zagadnienia: bezwładności, ruchu obrotowego, momentu siły, momentu bezwładności, zasadę zachowania momentu pędu, precesji, ale przede wszystkim jest świetną zabawką edukacyjną.
Jak działa żyroskop?
Aby zacząć rozważania na temat zasady działania żyroskopu konieczne jest, abyśmy poznali pewne pojęcie fizyczne - bezwładność.
Bezwładność jest cechą wszystkich ciał (w fizyce tak nazywają się otaczające nas rzeczy), które posiadają niezerową masę. Cecha ta, mówi nam o tym, jak bardzo jakieś ciało "chce" zachować stan, w którym w danym momencie się znajduje. I tak, kiedy ciało się porusza, to najchętniej w tym ruchu by pozostało... Podobnie jest z ciałem, które spoczywa; zmuszane do poruszenia się - stawia opór.
Aby lepiej zrozumieć istotę bezwładności posłużymy się przykładem wziętym "z życia" i przy okazji wyjaśnimy sobie dlaczego np. w autobusie trzeba trzymać się poręczy.
Zapewne każdy z nas podróżował autobusem, więc nietrudno będzie wyobrazić sobie te dwie sytuacje:
- Wyobraźmy sobie, że stoimy wraz z innymi pasażerami w zatrzymanym na przystanku autobusie. Nagle autobus gwałtownie rusza. Co dzieje się wtedy z pasażerami? Naturalnie przewracają się w kierunku przeciwnym do kierunku przyśpieszenia autobusu. My na szczęście trzymaliśmy się poręczy.
- Kolejna sytuacja, stoimy w jadącym autobusie, który nagle ostro hamuje... Trzymasz się mocno? Efekt w tej sytuacji będzie podobny, pasażerowie przewrócą się w kierunku przeciwnym do siły hamowania.
- Właśnie między innymi za te upadki podczas ruszania i hamowania autobusu odpowiada bezwładność ciał, czyli, powtórzmy to jeszcze raz, "chęć" ciała fizycznego do pozostania w ruchu, lub pozostania w spoczynku. Wielkością fizyczną, która określa jak duża (lub jak mała) jest bezwładność ciała, jest jego masa. Im cięższe ciało, tym większa jego bezwładność i na odwrót.
Jak to się ma do naszego żyroskopu? Żyroskop również posiada bezwładność. Z uwagi jednak, że dotyczy ruchu obrotowego ciała, jego bezwładność nazwano w tym przypadku momentem bezwładności.
Dlaczego więc żyroskop zachowuje nachylenie osi obrotu i opiera się sile ciężkości starającej się go przewrócić? Żyroskop dzięki swojej bezwładności stawia opór sile ciężkości.
Dla chcących wiedzieć więcej
Zrozumienie zasady działania żyroskopu nie należy do najprostszych.
Ktoś, kto posiada ugruntowaną wiedzę fizyczną, powiedziałby, że zasada działania żyroskopu opiera się o prawo zachowania momentu pędu. Jednak by móc swobodnie rozmawiać o tym prawie, potrzebna jest znajomość takich wielkości fizycznych, jak moment bezwładności, moment pędu, moment siły i innych wielkości związanych z ruchem obrotowym, z którymi na zaznajomienie się przychodzi pora najczęściej dopiero na studiach.
Tym, którzy są żądni wiedzy i innym ciekawskim polecamy tę lekturę >>>kliknij<<<.
Ciekawostki
Żyroskopy używane są jako czujniki przechylenia, znajdują także wiele innych zastosowań w różnych urządzeniach nawigacyjnych: w zakrętomierzu, busoli lotniczej, żyroskopie kursowym, pionie żyroskopowym. Ułatwiają sterowanie samolotami, okrętami czy rakietami. Masywne żyroskopy używane są na przykład do tłumienia kołysania statków.
Żyroskop został wymyślony przez francuskiego fizyka Jeana Foucaulta w 1852 roku, a użyty został przez niego do udowodnienia ruchu obrotowego Ziemi.
Fakt, że kierunek osi obracania się żyroskopu jest trudno zmienić chyba w najbardziej oryginalny sposób wykorzystał inny francuski fizyk Jean Baptiste Perrin, laureat nagrody Nobla w 1926 roku.
Zapakował on ciężki żyroskop do walizki, rozkręcił go i nadał na dworcu jako bagaż. Kiedy tragarz wziął walizkę i idąc z nią usiłował skręcić za róg budynku, walizka stanowczo odmówiła zmiany kierunku. Zdumiony bagażowy próbował poradzić sobie z nią siłą, lecz walizka obróciła się wokół rączki w zupełnie nieoczekiwanym kierunku, wykręcając mu rękę. Tragarz rzucił walizkę i uciekając wołał: sam diabeł musi tam siedzieć w środku.http://archiwum.wiz.pl/1997/97012900.asp
Żyjemy na żyroskopie
Gdy wirujący żyroskop pchniemy lekko z boku, zacznie on wykonywać dodatkowy ruch - oś jego obrotu będzie zakreślała stożek, lub inaczej: każdy punkt osi będzie zakreślać okrąg. Ten ruch nazywamy ruchem precesyjnym, lub po prostu precesją (patrz rysunek obok).
Nasza planeta to również żyroskop. Ziemia także wykonuje ruch precesyjny, który powodowany jest oddziaływaniem Słońca i Księżyca, przy czym dominujący jest wpływ Księżyca, ze względu na jego bliższą niż Słońce odległość od Ziemi.
Zakreślenie przez oś obrotu Ziemi pełnego okręgu trwa około 26 000 lat. Okres ten jest zwany rokiem platońskim.
Czy wiesz, jak wiele razy korzystałeś z żyroskopów prawdopodobnie o tym nie wiedząc? Koła roweru to również żyroskopy, które utrzymują Ciebie i rower w pionowej pozycji (ale nie jest to jedyny powód, dla którego jadący rower się nie przewraca).
Typowy samolot wykorzystuje kilkanaście żyroskopów. Znajdują się one między innymi w kompasie, automatycznym pilocie i innych urządzeniach samolotu, niezbędnych do bezpiecznego podróżowania w przestworzach.
Rosyjska stacja kosmiczna MIR, posiadała około tuzina żyroskopów, które wykorzystywane były do stabilizacji położenia stacji i nakierowywania baterii słonecznych na Słońce.
Międzynarodowa Stacja Kosmiczna(ISS) posiada 4 żyroskopy używane do utrzymywania stacji we właściwej pozycji. Każdy z nich waży 227 kilogramów i obraca się z prędkością 6600 obrotów na minutę.
Do kontroli ustawienia ISS, potrzebne są co najmniej dwa żyroskopy. W roku 2005 zepsuł się drugi żyroskop (pierwszy jeszcze w 2001 roku), co stanowiło problem braku zapasowego żyroskopu w przypadku kolejnej awarii. Sytuacja na szczęście została opanowana.
