قطب نمای ژيروسکوپيک

دید کلی

اگر با فرفره بازی کرده باشید پی برده‌اید که محور چرخش فرفره چرخان به آرامی حول خط قائم می‌گردد، اصطلاحی که برای توصیف این حرکت بکار برده می‌شود حرکت تقدیمی است. می‌گوییم فرفره حول خط قائم حرکت تقدیمی دارد، حرکت تقدیمی جهت بردار اندازه حرکت زاویه‌ای را تغییر می‌دهد و بنابراین باید حاصل گشتاور نیرویی باشد که بر فرفره در حال چرخش وارد می‌آید، اندازه حرکت زاویه‌ای پایداری سیستمهای چرخان را تأمین می‌کند.

وقتی که دوچرخه در حال حرکت است، دوچرخه سوار نسبتا به آسانی خود را روی دوچرخه نگه می‌دارد، اما وقتی که دوچرخه در حالت سکون است دوچرخه سوار باید آکروبات باز باشد تا بتواند تعادل خود را حفظ کند. ژیروسکوپ که قلب خلبان خودکار هواپیماست و سیستم هدایت اینرسیایی موشک را تشکیل می‌دهد نیز در پایه خاصیت برداری اندازه حرکت زاویه‌ای مبتکی است، ژیروسکوپ از قرص کاملا متعادل تشکیل شده بطوری که محور دروان قرص می‌تواند مستقیما در هر جهت قرار گیرد.

حرکت ژیروسکوپ

وقتی ژیروسکوپ حول محور ثابتی دوران می‌کند بردار اندازه حرکت زاویه‌ای آن حول یک نقطه واقع بر محور دوران (محل اتکای ژیروسکوپ روی پایه خود) در امتداد محور است. تقارن جسم نسبت به محور باعث می‌شود که اثر هر مؤلفه اندازه حرکت زاویه‌ای ذره K که عمود بر محور دوران است Lk با یک مؤلفه مساوی و مختلف الجهت ذره قرینه K نسبت به مرکز خنثی گردد. اگر نیروی F بر روی محور ژیروسکوپ به سمت پایین وارد شود گشتاور در امتداد عمود بر r و L خواهد بود r از محل اتکای محور ژیروسکوپ تا نقطه اثر F است).

بردار L که در امتداد محور دوران است تحت تأثیر نیروی F بر روی مخروطی حرکت تقدیمی انجام می دهد، ژیروسکوپ فقط حول محور دوران می کند اگر امتداد محور ژیروسکوپ هم تغییر بکند. این حرکت مؤلفه دیگری نیز به اندازه حرکت زاویه‌ای اضافه می‌کند. نکته مهم در این حرکت این است که محور ژیروسکوپ ضمن اینکه حول محور قائم حرکت تقدیمی انجام می‌دهد باید نسبت به L در توازن باقی بماند، چون اگر محور ژیروسکوپ ابتدا در جهت معینی قرار گرفته و بعد رها شود، ضمن حرکت تقدیمی حول محور قائم اندکی نیز به طرف بالا و پایین خواهد لنگید.

خصوصیات ژیروسکوپ

 
در برابر هیچگونه تغییری در جهت چرخش خود مقاومت نمی‌کند زیرا میزان تغییر اندازه حرکت زاویه‌ای ژیروسکوپ همیشه با گشتاور نیروی وارد بر آن مساوی است.

وقتی هیچگونه گشتاوری وارد نشود اندازه حرکت زاویه‌ای یعنی بردار L ثابت باقی می‌ماند.

ژیروسکوپ فقط هنگامی تغییر امتداد می‌دهد که گشتاور نیرویی برآن وارد شود.
استقامت ژیروسکوپ (جبر ژیروسکوپ)
اگر این دستگاه را به گردش در آورید و پایه آن را بگیرید و بلند کنید و دست خود را به چپ و راست و بالا و پایین ببرید و چنانچه دستگاه را کج و حتی وارونه کنید، محور آن تغییر جهت نمی‌دهد و تا وقتی که دوران می‌کند، همیشه متوجه همان امتدادی است که در شروع حرکت داشته است، این خاصیت را به اصطلاح استقامت ژیروسکوپ در فضا و یا جبر ژیروسکوپ می‌گویند.

سیر قهقرایی

اگر ژیروسکوپ را حول محور دوران ، دوران دهیم و انگشت خود را بر روی حلقه‌ای که به قد سه پایه دستگاه است گذاشته و فشار دهیم خواهیم دید که بجای آنکه دستگاه بر اثر فشار انگشت ما کج شود در امتداد عمود بر امتداد فشار انگشت ما حرکت می‌کند و دور می‌شود، این خاصیت ژیروسکوپ را سیر قهقرایی آن می‌نامند.

چشم انداز

تا سال 1910 که قطب نمای ژیروسکوپی اختراع نشده بود، ژیروسکوپ هیچ گونه استفاده عملی نداشت، در قطب نمای ژیروسکوپی محور دوران ژیروسکوپ همواره متوجه امتداد جهت شمال حقیقی است و برای هدایت کشتی بکار می‌رود، اینگونه قطب نما بر قطب نماهای عادی این مزیت را دارا می‌باشد که اولا تحت تأثیر خاصیت مغناطیسی زمین قرار نمی‌گیرد و ثانیا شمال حقیقی را نشان می‌دهد، نه شمال مغناطیس را و علاوه بر آن این دستگاه سکان کشتی را در امتداد لازم نگه می‌دارد و خیلی بهتر از انسان کشتی را هدایت می‌کند. برخی کشتیها اسباب دیگری که باز به کمک ژیروسکوپ کار می‌کنند دارند و کشتی را از واژگون شدن حفظ می‌کنند، در کل حساس بودن و دقیق بودن ژیروسکوپ ، آن را به وسیله‌ای بسیار مهم مبدل ساخته ، طوری که حرکات غیر منظم را به سهولت درک می‌کند.

قطب نمای ژیروسکوپی نوعی قطب نما است که از آن برای جهت یابی استفاده می شود. در ساده ترین نوع قطب نما ، سوزن مغناطیسی شده ای را به کار می گیرند. که همواره در امتداد شمال ــ جنوب می ایستد و رو به قطب شمال قرار می گیرد.

در حقیقت این سوزن به قطب شمال مغناطیسی اشاره می کند که دقیقاً منطبق بر قطب شمال واقعی یا جغرافیایی نیست. قطب نمای ژیروسکوپی که در سال 1905 میلادی به وسیله ی دکتر هرمان آنشوتز کاموف طراحی شد، به مغناطیس وابستگی ندارد. قطب نما رو به شمال واقعی تنظیم می شود و به چرخش در می آید . پس از آن ، ژیروسکوپی هر تغییری که بکند، سوزن یا عقربه همواره رو به قطب شما ل باقی می ماند.