콘텐츠
- 차가 우회전 할 때 왜 왼쪽으로 기울입니까?
- 자이로 스코프의 기원
- 자이로 스코프 란?
- 자이로 스코프의 물리학
- 엘리트 자이로 스코프의 예 : 허블 망원경
- 뉴턴의 제 1 법칙이 때때로 "관성 법칙"이라고 불리는 이유
- 관성은 힘인가?
- 가속도계는 무엇을 측정합니까?
종종 자이로라고 불리는 자이로 스코프 (그리스 식품 포장지와 혼동하지 말 것)는 많은 압박을받지 않습니다. 그러나이 놀라운 공학이 없다면 세계, 특히 인류가 다른 세계를 탐험하는 것이 근본적으로 달라집니다. 자이로 스코프는 로켓 및 항공에 없어서는 안될 요소이며 간단한 자이로 스코프는 훌륭한 어린 이용 장난감을 만듭니다.
자이로 스코프는 움직이는 부품이 많은 기계이지만 실제로는 센서입니다. 그 목적은 자이로 스코프 외부 환경에 의해 가해지는 힘의 변화에 직면하여 자이로 스코프 중심에서 회전하는 부품의 움직임을 일정하게 유지하는 것입니다. 이들은 외부 변속이 항상 부과 된 변속에 반대하는 자이로 스코프 부품의 움직임에 의해 균형을 잡도록 구성됩니다. 이것은 스프링이 달린 문이나 쥐덫이 문을 당기려는 시도에 반대하는 방식과 다르지 않습니다. 자신의 노력이 증가하면 더욱 강력합니다. 그러나 자이로 스코프는 스프링보다 훨씬 복잡합니다.
차가 우회전 할 때 왜 왼쪽으로 기울입니까?
"외부 세력"을 경험한다는 것은 어떤 새로운 것이 실제로 당신에게 닿지 않을 때 새로운 세력을 받는다는 것을 의미합니까? 일정한 속도로 직선으로 이동 한 자동차의 조수석에있을 때 발생하는 상황을 고려하십시오. 자동차의 속도가 느려지거나 느려지지 않기 때문에 신체는 선형 가속을 경험하지 않으며, 자동차가 회전하지 않기 때문에 각도 가속이 발생하지 않습니다. 힘은 질량과 가속도의 곱이기 때문에 시간당 200 마일의 속도로 움직여도 이러한 조건에서는 순 힘이 발생하지 않습니다. 이것은 뉴턴의 제 1 운동 법칙에 따르며, 이는 외력에 의해 작용하지 않는 한 정지 상태의 물체는 정지 상태를 유지하며, 같은 방향으로 일정한 속도로 움직이는 물체는 정확한 경로를 따라 계속 진행됨을 나타냅니다. 외력이 가해집니다.
그러나 자동차가 오른쪽으로 회전 할 때, 자동차가 타는 각도의 급격한 가속을 막기 위해 신체적으로 노력하지 않으면 운전자는 왼쪽으로 넘어집니다. 순 힘이없는 상태에서 자동차가 방금 추적하기 시작한 원의 중심에서 똑바로 향하는 힘이 발생하는 상태로 전환했습니다. 짧은 선회는 주어진 선형 속도에서 각가속도가 더 커지므로 운전자가 급회전 할 때 왼쪽으로 기울어지는 경향이 더 두드러집니다.
좌석에서 같은 위치에 몸을 유지하기 위해 충분한 안티-린닝 노력을 적용하는 자신의 사회적으로 뿌리 깊은 관행은 자이로 스코프가 수행하는 것과 유사하지만 훨씬 더 복잡하고 효과적입니다.
자이로 스코프의 기원
자이로 스코프는 공식적으로 19 세기 중반과 프랑스 물리학 자 레온 푸코 (Leon Foucault)로 거슬러 올라갑니다. 푸코는 아마도 그의 이름을 취하고 광학 분야에서 그의 대부분의 작업을 수행 한 진자로 더 잘 알려져 있지만 실제로는 그 효과를 없애는 방법을 찾아서 지구의 회전을 설명하는 데 사용했던 장치를 생각해 냈습니다. 또는 장치의 가장 안쪽 부분에 대한 중력의 영향을 격리시킵니다. 따라서 회전하는 동안 자이로 스코프 휠의 회전축의 변화는 지구의 회전에 의해 부여되어야 함을 의미했습니다. 따라서 자이로 스코프의 첫 공식 사용을 전개했습니다.
자이로 스코프 란?
자이로 스코프의 기본 원리는 회전하는 자전거 바퀴를 사용하여 설명 할 수 있습니다. 펜 중앙과 같은 휠 중앙을 통해 짧은 축으로 휠을 잡고 양쪽에서 휠을 잡고있는 동안 누군가 휠을 돌리면 휠을 한쪽으로 기울이려고하면 , 회전하지 않을 때처럼 쉽게 그 방향으로 가지 않을 것입니다. 이것은 당신이 선택한 방향에 상관없이 얼마나 갑자기 움직임이 도입 되더라도 상관 없습니다.
자이로 스코프의 부품을 가장 안쪽에서 바깥쪽으로 설명하는 것이 가장 쉽습니다. 첫째, 중심에는 회전 샤프트 또는 디스크가 있습니다 (그리고 기하학적으로 말하자면 디스크는 매우 짧고 넓은 샤프트에 불과합니다). 이것이 가장 큰 구성 요소입니다. 디스크 중심을 통과하는 차축은 거의 마찰이없는 볼 베어링에 의해 짐벌이라는 원형 고리에 부착됩니다. 이야기가 이상하고 흥미로워지는 곳입니다. 이 짐벌 자체는 비슷한 볼 베어링에 의해 조금 더 넓은 다른 짐 벌에 부착되어있어 내부 짐 벌이 외부 짐벌의 경계 내에서 자유롭게 회전 할 수 있습니다. 짐벌을 서로 부착하는 지점은 중앙 디스크의 회전축에 수직 인 선을 따라 있습니다. 마지막으로, 바깥 쪽 짐벌은 더욱 부드러운 글라이딩 볼 베어링으로 세 번째 후프에 부착되는데,이 베어링은 자이로 스코프의 프레임 역할을합니다.
(자이로 스코프 다이어그램을 참조하거나 리소스에서 짧은 비디오를 시청해야합니다. 그렇지 않은 경우이 모든 것이 시각화하기가 거의 불가능합니다!)
자이로 스코프 기능의 핵심은 서로 연결되어 있지만 독립적으로 회전하는 3 개의 짐 벌이 3 개의 평면 또는 차원에서 움직임을 허용한다는 것입니다. 내부 샤프트의 회전축을 방해 할 수있는 물체가 있다면 짐 벌이 힘을 조정 된 방식으로 "흡수"하기 때문에이 섭동은 3 차원 모두에서 동시에 저항 할 수 있습니다. 본질적으로 발생하는 것은 자이로 스코프가 경험 한 방해에 응답하여 두 개의 내부 링이 회전함에 따라 각각의 회전축이 샤프트의 회전축에 수직으로 유지되는 평면 내에 위치한다는 것입니다. 이 평면이 변하지 않으면 샤프트 방향도 변하지 않습니다.
자이로 스코프의 물리학
토크는 직선이 아닌 회전축에 가해지는 힘입니다. 따라서 직선 운동보다는 회전 운동에 영향을 미칩니다. 표준 단위에서는 힘을 "레버 암"(실제 또는 가상 회전 중심으로부터의 거리, "반경"이라고 함)으로 곱한 것입니다. 따라서 단위는 N⋅m입니다.
자이로 스코프가 실제로 수행하는 것은 적용된 토크를 재분배하여 이들이 중심 축의 움직임에 영향을 미치지 않도록하는 것입니다. 자이로 스코프는 직선으로 움직이는 것을 의도하지 않습니다. 무언가를 움직이게하는 것입니다 일정한 회전 속도로. 당신이 그것에 대해 생각한다면, 당신은 달 또는 더 먼 목적지로 여행하는 우주선이 지점 간 이동하지 않는다고 상상할 수 있습니다. 오히려, 그들은 다른 물체에 의해 가해진 중력을 이용하여 궤도 나 곡선으로 이동합니다. 요령은이 곡선의 매개 변수가 일정하게 유지되도록하는 것입니다.
자이로 스코프의 중심을 형성하는 샤프트 또는 디스크는 무거워지는 경향이있다. 또한 허블 망원경의 자이로 스코프와 같은 놀라운 속도로 회전하는 경향이 있습니다 (예 : 분당 19,200 회전 또는 초당 320 회전). 표면적으로 과학자들은 민감한 기기에 무심코 프리 휠링 (문자 그대로) 구성 요소를 빨아 들일 것입니다. 물론 이것은 전략적입니다. 물리학에서 운동량은 단순히 질량 대 속도입니다. 이에 따라 각운동량은 관성 (아래에서 볼 수 있듯이 질량을 포함한 수량) 곱하기 각속도. 결과적으로 휠이 더 빠르게 회전하고 질량이 커져 관성이 커질수록 샤프트의 각 운동량이 증가합니다. 결과적으로 짐벌 및 외부 자이로 스코프 구성 요소는 토크가 공간에서 샤프트 방향을 방해하기에 충분한 수준에 도달하기 전에 외부 토크의 영향을 무시할 수있는 높은 용량을 갖습니다.
엘리트 자이로 스코프의 예 : 허블 망원경
유명한 허블 망원경에는 내비게이션을위한 6 개의 자이로 스코프가 포함되어 있으며 정기적으로 교체해야합니다. 로터의 놀라운 회전 속도는 볼 베어링이이 자이로 스코프에서 불가능한 것은 불가능하다는 것을 의미합니다. 대신 허블은 가스 베어링을 포함하는 자이로 스코프를 사용하는데, 이는 인간이 만든 모든 것이 자랑 할 수있는 것처럼 마찰이 거의없는 회전 경험에 가깝습니다.
뉴턴의 제 1 법칙이 때때로 "관성 법칙"이라고 불리는 이유
관성은 속도와 방향의 변화에 대한 저항입니다. 이것은 수 세기 전에 Isaac Newton이 제시 한 공식 선언의 평신도입니다.
일상적인 언어에서 "관성"은 일반적으로 "잔디를 깎으려고했지만 관성이 소파에 고정 된 상태"와 같이 움직이기를 꺼리는 것을 말합니다. 그러나 26.2 마일의 마라톤에 막 도착한 사람이 물리학의 관점에서 관성의 영향 때문에 그만두기를 거부하는 것을 보는 것은 이상 할 것입니다. 러너는 기술적으로는 직장에서 관성이 될 수있는 동일한 방향과 동일한 속도로 계속 달렸습니다. 사람들은 관성으로 인해 "카지노를 떠나려고했지만 관성이 테이블에서 테이블로 나아갔습니다."와 같이 관성으로 인해 무언가를하지 않았다고 말하는 상황을 상상할 수 있습니다. (이 경우 "모멘텀"이 더 나을 수 있지만 플레이어가이기는 경우에만 가능합니다!)
관성은 힘인가?
각 운동량에 대한 방정식은 다음과 같습니다.
L = Iω
L의 단위는 kg ⋅ m입니다.2/에스. 각속도의 단위 ω는 왕복 초이거나, 관성 s-1 인 I는 kg ⋅ m의 단위를 갖기 때문에2. 표준 힘의 단위 인 뉴턴은 kg ⋅ m / s로 분류됩니다.2. 따라서 관성은 힘이 아닙니다. 이것은 힘과 같은 "느낌"(압력이 좋은 예)과 같은 다른 것들에서와 같이 "관성력"이라는 문구가 주류 언어로 들어가는 것을 막지 못했습니다.
참고 사항 : 질량은 힘이 아니지만, 일상적인 환경에서 두 용어가 서로 바꿔 사용할 수 있지만 무게는 힘입니다. 이것은 무게가 중력의 함수이기 때문에, 지구를 오랫동안 떠나는 사람이 거의 없기 때문에 지구상의 물체의 무게는 질량이 문자 그대로 일정한 것처럼 효과적으로 일정합니다.
가속도계는 무엇을 측정합니까?
이름에서 알 수 있듯이 가속도계는 가속도를 측정하지만 선형 가속도 만 측정합니다. 즉, 이러한 장치는 모션 방향이 한 차원에서만 발생할 수있는 상황 (예 : 일반적인 엘리베이터)에서 편리하지만 많은 3 차원 자이로 스코프 응용 분야에서는 특히 유용하지 않습니다.
가속도계는 관성 센서의 한 유형입니다. 자이로 스코프는 자이로 스코프가 각가속도를 측정한다는 점을 제외하고는 또 다른 것입니다. 그리고이 주제의 범위를 벗어나지 만 자력계는 자기장에 사용되는 세 번째 종류의 관성 센서입니다. VR (Virtual Reality) 제품은 이러한 관성 센서를 결합하여 사용자에게보다 강력하고 사실적인 경험을 제공합니다.