Co to za własności? Wprawiamy żyroskop w ruch przeciwny do ruchu wskazówek zegara i patrzymy w kierunku osi jego wirowania. Jeżeli spróbujemy odchylić ją w lewo, to żyroskop będzie się starał skierować ją... w dół! Jeżeli spróbujemy odchylić oś w prawo, to urządzenie skieruje ją w górę. Analogicznie, próbując odchylić oś wirowania w górę i w dół, żyroskop "sprzeciwi się" naszemu działaniu odchylając ją odpowiednio w prawo i w lewo. Otóż, tak proste - na pierwszy rzut oka - urządzenie charakteryzuje się ciekawą zmiana kierunku, która nazywa się precesją.
Żeby lepiej zrozumieć, na czym polega to zjawisko, przypomnijmy sobie, że momentem siły F względem pewnego punktu O (patrz rysunek powyżej) jest wektor osiowy zaczepiony w punkcie O, który ma kierunek prostopadły do kierunku płaszczyzny wyznaczonej przez wektor F i promień wodzący r. Poglądowo kierunki momentu siły M oraz siły F można skojarzyć przez regułę śruby prawoskrętnej.
Wróćmy teraz do zjawiska precesji. Załóżmy, że na oś wirowania żyroskopu zadziałała jakaś zewnętrzna siła F1 (na przykład nasza ręka), która pragnie tę oś obrócić (zgodnie z rysunkiem - w lewo). Wskutek działania tej siły oś żyroskopu będzie się obracała nie wokół kierunku momentu akurat tej siły M1, ale wokół osi X do niego prostopadłej. Jeżeli siła odchylająca oś wirowania od pionu będzie stałą w czasie (na przykład siła ciężkości), to oś żyroskopu będzie wykonywała ruch po stożku. Taki ruch właśnie nazywa się precesją. Symulację tego zjawiska wygląda w następujący sposób:
Dokładnie tak samo wyglądałby ten ruch w rzeczywistości, gdyby nie strata energii żyroskopu. Ale ponieważ na wskutek tarcia końcówki osi wirowania żyroskopu o powierzchnię, na której się znajduje, energia ta ucieka, zatem rzeczywisty ruch urządzenia wygląda w tak:
Jeżeli moment sił zewnętrznych równa się 0, to żyroskop może zachowywać swoją orientację w przestrzeni dość długo. Wtedy, umieszczając go na nieruchomej postawie, ale tak, aby oś wirowania miała 3 stopień swobody (oś AB na rysunku poniżej) łatwo będzie zauważyć każdą zmianę kąta podstawy, na którym żyroskop jest umocowany.
źródło: www.cultinfo.ru
Właśnie tę właściwość jako pierwszy wykorzystał wynalazca żyroskopu - francuski fizyk Jean Bernard Léon Foucault. W 1852 roku Foucault zademonstrował eksperymentalny dowód na wirowanie Ziemi.
Żyroskop wcale nie jest urządzeniem archaicznym: często stosuje się go i w naszych czasach. Załóżmy, że połączyliśmy go z podstawą przy pomocy sprężyny. Jeżeli umieścić taki sprzęt w samolocie czy helikopterze, to przez stopień deformacji sprężyny można będzie zmierzyć kąt, pod którym maszyna utrzymuje się w powietrzu.
W helikopterach oraz na szybkich kutrach żyroskopów używa się do stabilizacji poziomu. Jeżeli kuter płynie z wielką szybkością, a na powierzchni wody są duże fale, w środku kutra włącza się żyroskop, którego oś obracania pokrywa się z kierunkiem ruchu łodzi. W taki sposób bicie dna kutra o fale na wodzie zostaje stłumione.
Załóżmy teraz, że żyroskop mieści się w zamkniętym pudełku z czujnikami na pokrywce. Jeżeli oś obracania żyroskopu elektronicznie połączyć z tymi czujnikami, to dostaniemy przyrząd do sprawdzania pionowości szybów wiertniczych. Jak on działa? Jeżeli w miarę zanurzania urządzenia szyb będzie pionowy, to oś żyroskopu nie będzie zmieniała swego położenia. Jeżeli przyrząd trafi na odchylający się od pionu odcinek szybu, to pudełko również odchyli się od pionu, a żyroskop - wskutek swoich własności - będzie zachowywał poprzednie położenie. Tym sposobem koniec osi żyroskopu zmieści się na pokrywce i będzie to zarejestrowane przez czujniki.
Sergiusz Truszkin
Autor skończył kierunek fizyko-matematyczny NPIP (obecnie - Niżyński Państwowy Uniwersytet) im. M. Gogola na Ukrainie. Pracuje w Instytucie Fizyki PAN. Zajmuje się badaniem półprzewodników w wysokich ciśnieniach hydrostatycznych. Pracę naukowo-badawczą łączy z dziennikarstwem naukowym.
Czytaj także:
Jak my znosimy takie ciśnienie?
