Gyroscoop

Achtergrond

De gyroscoop is een vertrouwd speelgoed dat er bedrieglijk eenvoudig uitziet en kinderen kennis laat maken met verschillende mechanische principes, hoewel ze het zich misschien niet realiseren. Iets als een complexe top gemaakt van nauwkeurig bewerkt metaal, de gyroscoop is een draaiend wiel dat kan worden geplaatst in twee of meer cirkelvormige frames, elk georiënteerd langs een andere lijn of as. Het frame kan onder elke hoek worden gekanteld en het wiel zal - zolang het draait - zijn positie of houding behouden.

Maar de gyroscoop is niet zomaar speelgoed. Het maakt deel uit van vele wetenschappelijke en transportgerelateerde instrumenten. Deze omvatten kompassen, de mechanismen die torpedo's naar hun doelen sturen, de apparatuur die voorkomt dat grote schepen zoals vliegdekschepen op de golven rollen, automatische piloten op vliegtuigen en schepen, en de systemen die raketten en ruimtevaartuigen ten opzichte van de aarde (dat wil zeggen , traagheidsgeleidingssystemen).

De gyroscoop bestaat uit een centraal wiel of rotor die in een raamwerk van ringen is gemonteerd. De ringen worden terecht cardanische ophangringen of cardanische ringen genoemd. Gimbals zijn apparaten die een wiel of andere structuur ondersteunen, maar het vrij laten bewegen. De ringen zelf worden aan één uiteinde ondersteund op een spil of as die op zijn beurt op een basis of in een instrument kan worden gemonteerd. De eigenschap van de rotoras om naar zijn oorspronkelijke oriëntatie in de ruimte te wijzen, wordt gyroscopische traagheid genoemd; traagheid is gewoon de eigenschap van een bewegend object om in beweging te blijven totdat het wordt gestopt. Wrijving tegen de lucht vertraagt ​​uiteindelijk het wiel van de gyroscoop, zodat zijn momentum erodeert. De as begint dan te wiebelen. Om zijn traagheid te behouden, moet een gyroscoop met hoge snelheid ronddraaien en moet zijn massa worden geconcentreerd in de richting van de rand van het wiel.

Geschiedenis

De gyroscoop is een populair kinderspeelgoed, dus het is geen verrassing dat zijn voorouder de tol is, een van 's werelds oudste speelgoed. Een gyroscoop met één frame wordt soms een gyrotop genoemd; omgekeerd is een top een frameloze gyroscoop. In de zestiende tot de achttiende eeuw gebruikten wetenschappers, waaronder Galileo (1564-1642), Christiaan Huygens (1629-1695) en Sir Isaac Newton (1642-1727) speelgoedtoppen om rotatie en de natuurkundige wetten die dit verklaren te begrijpen. In het Frankrijk van de 19e eeuw bestudeerde de wetenschapper Jean-Bernard-Léon Foucault (1819-1868) experimentele natuurkunde en bewees hij de rotatie van de aarde en verklaarde hij het effect ervan op het gedrag van objecten die op het aardoppervlak reizen. In de jaren 1850 bestudeerde Foucault de bewegingen van een rotor gemonteerd in een cardanisch frame en bewees hij dat het spinnewiel zijn oorspronkelijke positie of oriëntatie in de ruimte behoudt ondanks de rotatie van de aarde. Foucault noemde de rotor en cardanische ophangingen de gyroscoop van de Griekse woorden gyros en skopien wat "rotatie" en "om te bekijken" betekent.

Pas in het begin van de 20e eeuw vonden uitvinders een toepassing voor de gyroscoop. Hermann Anschiutz-Kaempfe, een Duitse ingenieur en uitvinder, erkende dat de stabiele oriëntatie van de gyroscoop kan worden gebruikt in een gyrokompas. Hij ontwikkelde het gyrokompas voor gebruik in een duikboot voor onderzeese verkenningen waar normale navigatie- en oriëntatiesystemen onpraktisch zijn. In 1906 testte Otto Schlick een gyroscoop uitgerust met een snel draaiende rotor in de Duitse torpedoboot See-bar. De zee zorgde ervoor dat de torpedoboot 15° naar elke kant rolde, of 30° in totaal; toen zijn gyroscoop op volle snelheid werd bediend, rolde de boot in totaal minder dan 1°.

In de Verenigde Staten introduceerde Elmer Ambrose Sperry (1860-1930) - een uitvinder die bekend stond om zijn prestaties bij het ontwikkelen van elektrische locomotieven en machinetransmissies - een gyrokompas dat werd geïnstalleerd op het Amerikaanse slagschip Delaware in 1911. In 1909 had hij de eerste automatische piloot ontwikkeld, die het richtingsgevoel van de gyroscoop gebruikt om de koers van een vliegtuig te behouden. De Anschiütz Company installeerde in 1916 de eerste automatische piloot - gebaseerd op een gyroscoop met drie frames - in een Deens passagiersschip. In dat jaar werd ook de kunstmatige horizon voor vliegtuigen ontworpen. De kunstmatige horizon vertelt de piloot hoe het vliegtuig rolt (zij naar zij beweegt) of stampt (van voren naar achteren beweegt) wanneer de zichtbare horizon in de wolken of andere omstandigheden verdwijnt.

Roll-reductie was ook nodig voor schepen. De Sperry Company had in 1915 een gyrostabilisator geïntroduceerd die een gyroscoop met twee frames gebruikte. De rol van een schip op de oceaan maakt passagiers zeeziek, zorgt ervoor dat lading gaat schuiven en schade oploopt, en veroorzaakt spanningen in de scheepsromp. Sperry's gyrostabilisator was zwaar, duur en nam veel ruimte in beslag op een schip. Het werd achterhaald in 1925 toen de Japanners een onderwatervin bedachten om schepen te stabiliseren.

Tijdens de intense ontwikkeling van raketsystemen en vliegende bommen voor en tijdens de Tweede Wereldoorlog, werden gyroscopen met twee frames gecombineerd met instrumenten met drie frames om respectievelijk rol- en stampbewegingen te corrigeren en automatische besturing te bieden. De Duitsers gebruikten deze combinatie op de V-1 vliegende bom, de V-2 raket en een onbemand vliegtuig. De V-2 wordt beschouwd als een vroege ballistische raket. Ruimtevaartuigen in een baan om de aarde gebruiken een klein, met gyroscoop gestabiliseerd platform voor hun navigatiesystemen. Deze eigenschap van gyroscopen om stabiel te blijven en richting te bepalen met een zeer hoge mate van nauwkeurigheid, is toegepast op geweervizieren, bommenrichters en de platforms aan boord die kanonnen en radar ondersteunen. Veel van deze mechanismen werden sterk verbeterd tijdens de Tweede Wereldoorlog, en de traagheidsnavigatiesystemen die gyroscopen voor ruimtevaartuigen gebruiken, werden uitgevonden en geperfectioneerd in de jaren 1950 toen ruimteverkenning steeds belangrijker werd.

Grondstoffen

De materialen die worden gebruikt om een ​​gyroscoop te vervaardigen, kunnen variëren van relatief eenvoudig tot zeer complex, afhankelijk van het ontwerp en het doel van de gyroscoop. Sommige zijn nauwkeuriger gemaakt dan het beste horloge. Ze kunnen draaien op kleine kogellagers, gepolijste vlekjes van kostbare edelstenen of dunne films van lucht of gas. Sommige werken volledig in een vacuüm dat wordt opgehangen door een elektrische stroom, zodat ze niets aanraken en er geen wrijving ontstaat.

Een gyroscoop met een elektrisch aangedreven motor en metalen cardanische ophangingen heeft vier basissets van componenten. Dit zijn de motor, de elektrische componenten, elektronische circuitkaarten voor geprogrammeerde bediening en de as- en cardanische ringen. De meeste fabrikanten kopen motoren en elektrische en elektronische componenten in bij onderaannemers. Dit kunnen voorraadartikelen zijn, of ze kunnen worden vervaardigd volgens een reeks specificaties die door de gyroscoopfabrikant aan de leverancier zijn verstrekt. Meestal machinaal bewerken gyroscoopfabrikanten hun eigen cardanische ophangingen en assen. Aluminium is een voorkeursmetaal vanwege zijn uitzettings- en sterkte-eigenschappen, maar meer geavanceerde gyroscopen zijn gemaakt van titanium. Metaal wordt in bulk ingekocht als stafmateriaal en bewerkt.

Ontwerp

Met behulp van de elektrische en mechanische aspecten van de gyroscopische theorie als leidraad, kiezen ingenieurs een wielontwerp voor de cardanische ophanging en selecteren ze een metalen voorraad die geschikt is voor het ontwerp. De ontwerpen voor veel toepassingen van gyroscopen zijn vrij standaard; dat wil zeggen, herontwerp of ontwerp van een nieuwe lijn is een kwestie van het aanpassen van een bestaand ontwerp aan een nieuw gebruik in plaats van het creëren van een nieuw product vanaf het meest basale begin. Bij ontwerpen hoort echter het observeren van de meest fundamentele engineeringpraktijken. Toleranties, spelingen en elektronische toepassingen zijn zeer nauwkeurig. Het ontwerp van de cardanische wielen en het ontwerp van de bewerking daarvoor heeft bijvoorbeeld een zeer kleine tolerantie voor fouten; de doorsnede van een cardanische ophanging moet overal gelijk zijn, anders raakt de gyroscoop uit balans.

Het fabricageproces

1. De cardanische ophanging en cardanische frames zijn vervaardigd uit aluminium staafmateriaal met behulp van: Een voorbeeld van een gyroscoop. tools ontwikkeld als onderdeel van het ontwerpproces. Ze worden gepolijst en schoongemaakt en opgeslagen in bakken tot ze worden gemonteerd. Voor de montage worden de bakken naar de juiste locaties langs de assemblagelijn verplaatst.
2. Gyroscopen worden vervaardigd in een eenvoudig assemblagelijnproces dat het belang van "aanraakarbeid" boven automatisering benadrukt. Gyroscopen worden van binnenuit in elkaar gezet. De motor is het hart van de gyroscoop en wordt als eerste geïnstalleerd. Een "typische" gyroscoopmotor is gesynchroniseerd om te draaien met 24.000 omwentelingen per minuut (rpm). Het moet perfect worden gesynchroniseerd en de motor wordt vóór de montage meestal op een bank getest. Elektrische aansluitingen worden toegevoegd aan de motor.
3. De cardanische ophanging en frames worden vervolgens geassembleerd, te beginnen met de binnenste cardanische ophanging en eindigend met de buitenste cardanische ophanging. Lagers worden op hun plaats gezet. De "eindspeling" van de lagers (de losse pasvorm) heeft typisch een zeer kleine tolerantie van 0,0002-0,0008 in (0,006-0,024 mm).
4. De buitenste elektrische aansluitingen worden op de assemblagelijn bevestigd en circuitkaarten worden toegevoegd. Ten slotte wordt de gyroscoop aan het einde van het montageproces gekalibreerd. De ophanging van de lagers en kalibratie worden met de hand gecontroleerd; fabrikanten hebben ontdekt dat, voor een gelijkmatige kalibratie, menselijke observatie, testen en correctie betrouwbaarder zijn dan geautomatiseerde methoden.

De gyroscoop is een elegant voorbeeld van een toepassing van eenvoudige natuurkundige principes. Omdat het eenvoudig is, bewaken fabrikanten nauwlettend eventuele gepatenteerde technieken. Omdat de gyroscoop een eenvoudig apparaat is met uiteenlopende toepassingen, vereisen sommige meer fabricageprocessen. De hierboven beschreven fabricagestappen duren ongeveer 10 uur en resulteren in een vrije gyroscoop voor een toepassing als raketgeleiding. Een meer exotische gyroscoop kan 40 uur montagetijd vergen.

Kwaliteitscontrole

Kwaliteitscontrole is essentieel tijdens het ontwerp- en assemblageproces bij de productie van gyroscopen, omdat de instrumenten deel uitmaken van bemande vliegtuigen, onbemande raketten en andere transport- en wapenapparatuur die catastrofes kunnen veroorzaken als ze falen. Ingenieurs, wetenschappers en ontwerpers zijn hoog opgeleid en getraind voordat ze worden aangenomen en terwijl ze aan het werk zijn. Werknemers aan de lopende band moeten een initiële opleiding volgen om te worden aangenomen, en ze hebben regelmatig geplande, doorlopende opleidingssessies. Veel van de kwaliteitsnormen waaraan bij de fabricage van gyroscopen moet worden voldaan, kunnen worden gemeten, dus tijdens de fabricage wordt inspectie tijdens het proces uitgevoerd. De kwaliteitscontrole op het hoogste niveau wordt uitgevoerd door inspecteurs van buiten het bedrijf, inclusief overheidsinspecteurs. Klanten voeren ook hun eigen inspecties en acceptatietesten uit; als het product van de fabrikant de tests van de klant niet doorstaat, worden de defecte gyroscopen geretourneerd.

Bijproducten/afval

Fabrikanten van gyroscopen produceren geen bijproducten, maar ze hebben de neiging om volledige lijnen van gyroscopen te maken voor een breed scala aan toepassingen. Ze produceren ook niet veel afval. Het machinaal bewerken van de cardanische ophangingen en ringen produceert enkele aluminiumchips, maar deze worden verzameld en teruggestuurd naar de aluminiumleverancier voor recycling.

Veiligheidsproblemen

Fabrikanten houden zich aan de mandaten van de Occupational Safety and Health Administration (OSHA) voor licht, ventilatie en ergonomie (comfortabele zit- en werkbanken die de kans op RSI verminderen). Om elektrostatische ontlading te voorkomen, moet er in de installatie voldoende vochtigheid worden gehandhaafd. Er zijn kleine hoeveelheden reinigingsoplosmiddelen nodig, maar er worden reinigingsmiddelen op basis van citrusvruchten gebruikt die goedaardig (onschadelijk) zijn.

De Toekomst

Het gebruik van gyroscopen neemt toe met het aantal apparaten dat begeleiding en controle nodig heeft. Hoewel de basis van de gyroscoop gebaseerd is op de wetten van de natuurkunde en nooit kan veranderen, evolueert de technologie. Mechanische en elektrische methoden voor het leveren van de draaiende massa die de gyroscoop doet werken, worden geleidelijk vervangen door ringlasers en microtechnologie. Spoelen van dunne optische vezels vormen de sleutel tot compacte, lichtgewicht gyroscopen die mogelijk worden toegepast in navigatiesystemen voor auto's. De gyroscoop is zo'n eenvoudig maar geavanceerd instrument om zoveel gereedschappen in transport, exploratie en industrie in balans te houden dat het, gezien of ongezien, zeker een plaats heeft in de toekomst.