Jiroskop

Johann Gottlieb Friedrich von Bohnenberger'in jiroskopu

Jiroskopun çalışması

Jiroskop veya Türkçe adıyla düzdöner, dönüş ekseninin kendi kendine herhangi bir yönü kabul etmekte özgür olduğu dönen bir çark veya disktir. Açısal hız ve dengenin korumasına göre dönerken bu eksenin yönü devrilmeden veya dayanağın yönünden etkilenmez. Bundan dolayı jiroskoplar yönü ölçmek veya elde etmek için yararlıdır.

Elektronik cihazlarda bulunan elektronik mini yonga paketlenmiş MEMS jiroskopları, katı halde daire lazerler, fiber optik jiroskoplar ve aşırı duyarlı kuantum jiroskopu gibi diğer çalışma ilkelerine dayalı olan jiroskoplar da bulunmaktadır.

Jiroskopların uygulamaları manyetik pusulaların çalışmadığı veya radyo kontrollü helikopterler ya da insansız hava araçları gibi uçan araçların ve dinlence amaçlı teknelerin, ticari gemilerin sabitleşmesi için yeterince kesin olmadığı atalet gezinti sistemlerini kapsar. Onların netliğine bağlı olarak jiroskoplar tünel madenciliğinde yön bulmak için topaç teodolitlerde kullanılır. Jiroskoplar sabitlikte yardımcı olmak için manyetik pusulaları tamamlayan veya yerini alan topaç pusulaları yapmakta da kullanılabilir veya ataletli güdüm sisteminin parçası olarak kullanılabilir.

Tanım ve Şema

Bir jiroskopun yapısı

Mekanik sistemlerde veya aletlerde geleneksel bir jiroskop yaklaşık bir eksen dönmeye günlüklenmiş bir çark, bir iç dengeleme halkası veya çemberinde birleştirilmiş çarkın jurnallerini içeren bir mekanizmadır; iç dengeleme halkası iki halkanın toplamı için bir dış halkanın içinde salınım için günlüklenmiştir.

Jiroskop çerçevesi olan dış dengeleme halkası veya çemberi destekle belirlenen kendi düzleminde yaklaşık bir eksen dönmesi amacıyla birleştirilmiştir. Bu dış denge halkasının bir derece dönüş özgürlüğü vardır, ekseninin hiç yoktur. Sonraki iç denge halkası her zaman jiroskop çerçevesinin esas eksenine dikey olan kendi düzleminde yaklaşık bir eksen dönmesi için jiroskop çerçevesinde birleştirilmiştir.Bu iç denge halkasının iki derece dönüş özgürlüğü vardır.

Dönen çarkın aksı dönüş eksenini belirler. Çark her zaman iç denge halkasının eksenine dikey olan bir eksen kadar dönmesi için jurnallenir. Bu yüzden çarkın üç, ekseninin iki derece dönüş özgürlüğü vardır. Çark çıktı ekseni hakkında bir tepki kuvveti tarafından girdi ekseni hakkında uygulanan bir kuvvete yanıt verir.

Bir jiroskobun hareketi bir bisikletin ön tekerleğini düşünerek çok kolaylıkla anlaşılabilir. Eğer teker üstü sola dönebilsin diye dikeyden uzağa eğilirse, tekerin ileri jantı da sola döner. Diğer bir deyişle dönen tekerin bir eksendeki dönüşü üçüncü eksen dönüşünü üretir. Bir jiroskop çarkı yuvarlanacak veya çıktı dengeleme halkalarının özgür mü sabit mi bir yapıda olduğuna bağlı olarak çıktı ekseni konusunda direnecektir. Bazı özgür-çıktılı-dengeleme halkası cihazlarının örnekleri, alçalma yükselme açısını, bir uzay aracında veya uçaktaki rotadan çıkma durumu açılarını algılamak veya ölçmek için kullanılan konum referansı jiroskoplarıdır.

Çarkın yer çekimi merkezi sabit bir pozisyonda olabilir. Çark kendiliğinden bir eksen kadar döner ve iki diğer eksen kadar sallanabilir ve böylece çark dönmesine bağlı olarak doğasında olan direnme haricinde sabit bir nokta etrafında herhangi bir yöne dönmekte özgürdür. Bazı jiroskopların bir veya daha fazla unsurun yerine mekanik eşdeğerleri vardır.Örneğin; dönen çark dengeleme halkaları içinde eksensel olarak birleştirilmek yerine bir sıvının içinde asılı bırakılabilir. Kontrol kuvvet jiroskobu uzay araçlarında istenilen bir konum açısını sürdürmek veya elde etmek için veya jiroskobik direnç kuvvetini kullanarak yön çevirmede kullanılan sabit-çıktı-dengeleme halkası cihazlarının bir örneğidir.

Bazı özel durumlarda dış dengeleme halkası çarkın sadece iki özgürlük derecesi olsun diye çıkarılabilir. Diğer durumlarda çarkın kütle merkezi salınım ekseninden dengelenebilir ve böylece çarkın kütle merkezi ve çarkın asılım merkezi kesişmeyebilir.

Tarih

Özünde bir jiroskop bir çift dengeleme halkasıyla birleşik bir başlıktır. Başlıklar Klasik Yunanistan, Roma ve Çin'i kapsayan birçok farklı medeniyette icat edilmiştir. Bunların çoğundan alet olarak yararlanılmamaıştır. Bir jiroskoba benzeyen ilk bilinen aparat (“Fırıl fırıl Yansıtaç” ya da “Serson’ın Yansıtacı”) 1743'te John Serson tarafından icat edildi. Sisli veya dumanlı koşullarda ufuğun yerini saptamak için kullanıldı.

Daha çok asıl bir jiroskop gibi kullanılan ilk alet ilk kez 1817'de bununla ilgili yazan Alman Johann Bohnenberger tarafından yapıldı. İlk başta ona “Makine” dedi. Bohnenberger'in makinesi dönen iri bir küreye dayalıydı. 1832'de Amerikan Walter R.Johnson dönen bir diske dayalı benzer bir alet geliştirdi. Ecole Sanat Fen Okulu'nda çalışan Fransız matematikçi Pierre-Simon Laplace makineyi bir eğitim aracı olarak kullanmayı önerdi ve böylece Leon Foucault'un dikkatini çekti. 1852'de Foucault onu Dünya'nın dönüşünü ilgilendiren bir deneyde kullandı. Sürtünme dönen çarkı yavaşlatmadan önce 8- 10 dakika içinde görülebilen Dünya'nın dönüşünü görmek için bir deneyde cihaza modern adını veren Foucault'tu.

1860'larda elektrik motorların gelişi bir jiroskobun belirsizce dönmesini mümkün kıldı; bu ilk model yön göstergelerine ve çok daha karmaşık bir alet olan topaç pusulaya yön verdi. İlk işlevsel topaç pusula 1904'te Alman mucit Hermann Anschütz-Kaempfe tarafından patentlendi. Amerikan Elmer Sperry o yıldan sonra kendi tasarımını takip etti ve diğer milletler kısa zamanda denizcilik kahramanlığının en önemli askerî güç ölçüsü olduğu bir çağda icadın askeri önemini fark ettiler ve kendi jiroskop endüstrilerini yarattılar. Sperry Jiroskop Şirketi uzay aracı ve denizci stabilizörleri sağlamak için çabucak genişledi ve diğer jiroskop geliştirenler de aynı şeyi yaptılar. 1917'de Indianapolis'in Chandler(gemi levazımatçısı) Şirketi bir pistonlu ve tabanlı bir oyuncak jiroskop olan" Chandler jiroskobu"nu yarattı. Chandler şirket 1982'de TEDCO tarafından satın alınana kadar oyuncağı üretmeye devam etti. Chandler oyuncağı bugün TEDCO tarafından hala üretilir. 20.yüzyılın ilk on yılında diğer mucitler (başarısız bir şekilde) jiroskopları kesin ivme ölçümlerinin uygulanabileceği sabit bir platform yaratarak eski kara kutu navigasyon sistemleri için temel olarak kullanmaya çalıştılar. Benzer ilkeler sonra balistik füzeler için atalet navigasyon sistemleri geliştirmede kullanıldı.

2.Dünya Savaşı boyunca jiroskop uzay aracı ve uçaksavar silah nişanları için başlıca bileşen oldu. Savaştan sonra güdümlü füzeleri ve silahları, navigasyon sistemlerini küçültme yarışı, 85 gramdan daha az ağırlığıkta, yaklaşık 1 inç çapı olan sözüm ona mini jiroskopların geliştirilmesi ve üretilmesiyle sonuçlandı. Bu minyatür jiroskopların bazıları 10 saniyeden daha az dakikada 24.000 devirlik hıza ulaştı.

Üç eksenli MEMS'e dayalı jiroskoplar tabletler, akıllı telefonlar, akıllı saatler gibi portatif elektronik aletlerde de kullanılabiliyor. Bu aletlerin önceki kuşaklarında mevcut olan 3-eksenli ivme algılama yeteneğine ilave eder. Birlikte bu sensörler 6 bileşen hareket algılama; X, Y ve Z hareketi için ivme ve uzayda dönme oranı ve miktarını hesaplamak için jiroskoplar sağlar. Bazı cihazlar ek olarak Dünya'nın manyetik alanı ile ilgili kesin açısal ölçümler sağlamak için bir mıknatısölçeri bünyesine alır. En yeni MEMS'e dayalı atalet ölçüm birimleri tek bir bütünleşmiş tur paketindeki algılamanın bütün dokuz aksını masrafsız ve geniş çapta mevcut olan hareket algılamayı sağlayarak dahil eder.

Jirostat

Jirostat bir jiroskop türevidir.Katı bir kılıfta gizlenen iri bir çarktan oluşur. Onun çeşitli asılım modlarıyla veya destekle bir tezgahtaki hareketi, hızlıca döndürülürken iç görülmez çarkın jirostatik hareketine bağlı olarak statik dengenin sıradan yasalarının ilginç tersine dönmesini örneklemeye hizmet eder. İlk jirostat Lord Kelvin tarafından yatay bir düzlemde gezinmekte yoldaki bir kasnak veya bisiklet gibi özgürken dönen bir cismin hareketinin daha karmaşık halini örneklemek için tasarlandı. Ayrıca Kelvin jirostatlardan maddenin ve havanın esnekliği mekanik teorilerini geliştirmek için jirostatlardan yararlandı; bu teoriler bugün sadece tarihi ilgidendir. Modern zamanlarda jirostat kavramı uzay araçlarını ve uyduları yörüngeye oturtmak için vaziyet kontrol sistemlerinin tasarımında kullanılır. Örneğin; Mir uzay istasyonunun jiroplan veya kontrol kuvvet jiroları diye bilinen üç çift içten birleştirilmiş çarkları vardı. Fizikte dinamik denklemleri bir jirostatın hareketinin denklemlerini anımsatan birçok sistem var. Örnekler yapışkan olmayan, sıkıştırılamaz, homojen bir sıvıyla dolu bir oyuğu olan katı bir cismi, elastica teorisindeki gerilmiş elastik bir çubuğun statik denge biçimini, doğrusal olmayan bir araçla yayılan ışık atımının kutuplaşma dinamiğini, kaos teorisindeki Lorenz sistemini ve bir Penning tuzağı kütle görüngeölçerindeki bir iyonun hareketini kapsar.

MEMS

MEMS jiroskobu Foucault sarkacı fikrini alır ve MEMS (mikroelektromekanik sistem) diye bilinen bir titreme unsuru kullanır. MEMS'e dayalı jiro başlangıçta Systron Donner Inertial (SDI) tarafından pratik ve üretilebilir yapıldı. Bugün SDI, MEMS jiroskoplarının büyük bir üreticisidir.

FOG

Fiber optik jiroskop mekanik dönmeyi saptamak için ışığın müdahalesini kullanan jiroskoptur. Alıcı, 5 km'nin üzerinde olabilecek bir bobin fiber optik kablodur. Düşük kayıplı tek modlu optik fiberin 1970'lerin başında haberleşme endüstrisi için geliştirilmesi Sagnac etkisi fiber optik jiroskoplarının geliştirilmesini sağladı. Sagnac etkisi RLG'ninkinde kullanıldığı gibi FOG'unkinde kullanılan aynı ilkedir.

HRG

Yarıküresel yankılayıcı jiroskop, şarap bardağı jiroskobu veya mantar jiroskop diye de adlandırılır, kalın bir sapla saplanmış ince bir katı haldeki yarıküresel kabuğu kullanır. Bu kabuk kabuğu çevreleyen ayrı kaynaşık yapılar üzerine direkt bırakılan elektrotlar tarafından üretilen elektrostatik kuvvetler tarafından bükülgen bir yankılamaya sürüklenir. Jiroskobik etki bükülgen duran dalgaların atalet özelliğinden elde edilir.

VSG veya CVG

Titreşim yapılı bir jiroskop, Coriolis titreşen jiroskop da denir, farklı metalik alaşımlardan yapılmış bir yankılayıcı kullanır. Düşük doğruluk ve düşük maliyetli MEMS ile daha yüksek doğruluk ve daha yüksek maliyetli FOG arasında yer alır. Düşük iç bastırma materyalleri, yankılayıcı vakumlama ve sürüklenme ve kontrol sinyallerinin istikrarsızlığına bağlı sıcaklığı azaltmak için kullanarak doğruluk parametreleri arttı.

Yüksek kalite şarap bardağı yankılayıcılar HRG veya CRG gibi kesin alıcılar için kullanılır.

DTG

Dinamik olarak ayarlanmış jiroskop eğilme dayanaklarıyla evrensel bir eklem tarafından asılan bir çarktır. Eğilme kaynağı sertliği dönüş hızından bağımsızdır. Fakat dengeleme halkasından dinamik atalet dönüş hızının karesiyle orantılı olan negatif kaynak katılığını sağlar. Bu yüzden belirli bir hızda, ayarlama hızı denir, iki kuvvet çarkı ideal bir jiroskop için gerekli konum olan burkulmadan özgür bırakarak birbirini iptal eder.

RLG

Halka lazer jiroskop, bir ışık demetinin kayma müdahalesi modelini ölçerek d önmeyi ölçmek için Sagnac etkisine dayanır.Çünkü zıt yönlerdehalka etrafında hareket eder.

Londra Kuvveti

Londra kuveti jiroskobu kuantum- mekanik olgusuna dayanır, onun vasıtasıyla dönen bir üstün iletkenin ekseninin jiroskobik çarkın dönme ekseniyle tam olarak eğilen manyetik bir alan üretir. Bir mıknatısölçer üretilen alanın yönelimini belirler, bu dönüş eksenini belirlemek için ara değer olarak eklenir. Bu tip jiroskoplar aşırı derecede doğru ve istikrarlıdır. Örneğin, Yerçekimi Araştırma B (GP-B) deneyinde kullanılanlar jiroskop dönme ekseni yöneliminde bir yıllık bir süreçte 1.4×10−7 dereceden daha iyiye değişiklikler ölçtüler. Bu bir insan saçının 32 km uzaktan görülen genişliğinde bir açısal ayrılığa eşdeğerdir.

GB-B jirosu, niyobyum süper iletken maddesinin ince bir tabakası için yalıtkan madde desteği sağlayan kaynaşık kuvarzdan yapılmış, neredeyse kusursuz bir küresel döner kitleden oluşur. Geleneksel duruşlarda bulunan sürtünmeyi bertaraf etmek için çark montajı elektrik alanıyla altı elektrottan merkezlenir. Çarkı 4.000 RPM'e getiren bir helyum fışkırtmasıyla ilk dönmeden sonra cilalanan jiroskop kılıfı, çarktaki hava direncini azaltmak için ultra yüksek vakuma tahliye edilir. Eğer asılım elektroniği çalışıyor kalırsa aşırı dönüşlü simetri, aşınma eksikliği ve düşük hava direnci çarkın açısal hareketinin onun dönmesini yaklaşık 15.000 yıl boyunca sürdürmesine izin verecektir.

Hassas bir DC SQUID bir kuantum kadar küçük değişiklikleri ayırt edebilir ve jiroskobu izlemek için kullanılır. Çarkın yönelimindeki bir devinim veya eğilme Londra kuvveti manyetik alanının kılıfa göre kaymasına sebep olur. Hareket eden alan kılıfa sabitlenen süper iletken bir pikap döngüsünün içinden geçer ki bu küçük bir elektrik akımına neden olur. Akım bir mikroişlemci tarafından küresel koordinatlarına karar verilen şönt direncine karşı bir voltaj üretir. Sistem Lorentz bükülmesini en aza indirmek için tasarlanır.

Modern Kullanımlar

Pusulalarda, uzay aracında, bilgisayar işaret aygıtlarında kullanılmanın yanı sıra jiroskoplar tüketici elektroniğine tanıtılmaktadır. Jiroskop yönelim ve dönme hesaplanmasına izin verdiğinden beri tasarımcılar onları modern teknoloji bünyesine topladılar. Jiroskobun tamamlaması birtakım akıllı telefonlardaki önceki tek ivme ölçerden daha doğru hareket tanımaya 3 boyutlu boşlukta izin vermektedir. Tüketici elekroniğindeki jiroskoplar sıklıkla daha sağlam yön ve hareket algılama için ivme ölçerlerle birleştirilir. Böyle uygulamaların örnekleri Samsung Galaxy Note 4, HTC Titan, Nexus 5, iPhone 5s, Nokia 808 PureView ve Sony Xperia gibi akıllı telefonları, PlayStation 3 controller ve Wii Remote oyun konsolu çevresellerini ve Oculus Rift gibi asıl gerçeklik setlerini içerir.

Nintendo bir jiroskobu Wii konsolunun Wii uzaktan kumandasına “Wii MotionPlus” denen donanımın bir ek parçasıyla birleştirdi.O 3D'lerde ve Wii GamePad'lerde dahil edilir, bu dönerken hareketi belirler.

Gezinti yatları jiroskopları otomatik-bilardo masaları gibi harekete duyarlı aletleri kademelendirmek için kullanır. Bir bisiklet tekerleği içine yerleştirilen elektrikli bir çark jiroskobu destek tekerlek alternatifi olarak satılıyor.

Kişisel ulaım aracı elektrikli tekteker, jiroskop teknolojisinden faydalanır.

Dış bağlantılar

Wikimedia Commons'ta Gyroscopes ile ilgili çoklu ortam belgeleri bulunur