Gyroskop – hvordan fungerer det?

Hva er et gyroskop?

Et gyroskop er et instrument som brukes til å opprettholde eller bevare et objekts retning og vinkelhastighet. For å gjøre dette benytter det prinsippet om bevaring av rotasjonsmomentets retning. Gyroskopet er utstyrt med en fritt roterende skive og kan innta alle mulige retninger samtidig som rotasjonsaksen forblir uforandret.

Når rotasjonsskiven i et gyroskop roterer, forblir instrumentets rotasjonsakse nemlig stabil, selv på et skrått underlag. Etter hvert som skiven øker hastigheten, blir også det kinetiske momentet større, noe som stabiliserer gyroskopet og objektet det er innebygd i.

Precessjonsbevegelsen

Hvis det under full rotasjon skulle virke en kraft på aksen, kommer gyroskopet i ubalanse. Aksen beveger seg langsommere og følger en konisk bevegelse som kalles presesjonsbevegelse. Gyroskopet fortsetter å rotere, men faller ikke ned.

Gyroskopet og den kinetiske bevegelsen

I fysikk og klassisk mekanikk er gyroskopet og den kinetiske bevegelsen uatskillelige fra hverandre. Mens det første betegner en mekanisme for måling av rotasjon og vinkelposisjon, er det andre en vektorstørrelse som brukes til å bevare denne samme rotasjonen. Her kan du lære alt du trenger å vite om gyroskopet og det kinetiske momentet.

Kinetisk moment

Kinetisk moment, også kalt vinkelmoment, er en vektorstørrelse som har samme retning og samme fortegn som vinkelhastigheten. For at dette skal være mulig, må objektets rotasjonsakse også være dets symmetriakse.

Fra et punkt M til et punkt O er det kinetiske momentet lik momentet av bevegelsesmengden i forhold til punkt O, ifølge Wikipedia. Når det kinetiske momentet ikke endres, forblir rotasjonsaksen stabil. Dette kalles bevaring av det kinetiske momentet eller den gyroskopiske effekten.

Den gyroskopiske effekten

For å forstå denne mekanismen i praksis, ta et sykkelhjul. Hold det med utstrakt arm ved navmutrene. Be noen om å snurre hjulet raskt. Hvis du prøver å lene deg mot det roterende hjulet, vil du merke en motstand. Det er bevaringen av rotasjonsmomentet som motvirker denne bevegelsen. Det er den gyroskopiske effekten som holder hjulet i balanse. Det er viktig å merke seg at den gyroskopiske effekten øker med rotasjonshastigheten.

Gyroskopets historie

Det første treaksede gyroskopet ble oppfunnet av Léon Foucault i 1852. Han er kjent for å ha skapt Foucaults pendel. Under et eksperiment som omhandlet jordens rotasjon, oppdaget Foucault at pendelen hans roterte saktere enn jordens rotasjon. Dette eksperimentet førte til at han utviklet et instrument som kunne opprettholde en rask rotasjon over ganske lang tid. Sammen med sin samarbeidspartner Forment skapte han gyroskopet. Han oppdaget også at dette nye instrumentet var i stand til å peke mot nord og innrette seg etter meridianen. Han kalte det gyroskopkompasset.

Fra slutten av 1800-tallet dukket de første motoriserte gyroskopene opp. Gyrokompassene brukes nå til å peke mot det geografiske nord og ikke det magnetiske nord. De erstatter også kompassene på skip. Fra og med 1900-tallet ble gyrokompassene tatt i bruk i militæret.

I dag brukes gyroskoper også til å opprettholde stabiliteten i elektroniske enheter. De finnes nå i klokker, men også i smarttelefoner, hvor de har form av elektromekaniske treghetsmikrosystemer.

Komponentene i et gyroskop

Et mekanisk gyroskop består i hovedsak av følgende elementer:

• En roterende skive i midten. I midten av denne skiven ligger gyroskopets tyngdepunkt, uten hvilket instrumentet ikke kan fungere.
• En rotasjonsakse som går gjennom midten av skiven og peker i en hvilken som helst retning.
• Tre kardanledd (roterende støtte som gjør at et objekt kan rotere rundt en enkelt akse) som gjør det mulig å ha et treakset gyroskop:

1. En første festet til aksen ved hjelp av kulelager.
2. Et annet er festet til den indre aksen
3. Et tredje er festet til den ytre rammen

Bruksområder for gyroskopet

Gyroskopet brukes i dag innenfor flere andre fagområder enn fysikk, samt i mange bransjer (industri, luftfart, oljeindustri osv.). Det brukes i:

• Styring av torpedoer og missiler
• Koordinering eller indikasjon av svinger i et fly
• Produksjon av visse antistressleker som snurrebasser, jojoer, vortecons eller spinnere
• Stabilisering av kameraet under opptak av et objekt i bevegelse
• Bygging av motorsykler, sykler eller tohjulede kjøretøy i balanse
• Bygging av radiostyrte helikoptre og mye annet

Dessuten brukes dette instrumentet også i romstasjoner, om bord på Hubble-romteleskopet og innenfor ulike andre områder forbeholdt fysikere.