Gyroscoop
Een gyroscoop is een rotatiesymmetrische massa die om zijn as kan draaien. Populair gezegd is een gyroscoop een tol. Met een gyroscoop kan de wet van behoud van impulsmoment gedemonstreerd worden: het vliegwiel blijft draaien als het eenmaal in beweging is. Een snel draaiende gyroscoop zal zich daarbij verzetten tegen verandering van de stand van de draaias. De uitvinder van de gyroscoop, Léon Foucault, stelde in 1852 de naam samen uit de Griekse woorden "gyros" en "skopein" die respectievelijk "cirkel" en "zien" betekenen.
Voorbeelden van gyroscopen zijn de aarde, de wielen van een fiets, een draaitol, bepaalde instrumenten in een vliegtuig, zoals de kunstmatige horizon en de bochtaanwijzer.
Vaak is een gyroscoop, net als een kompas op een schip, in een cardanische ophanging gevat, zodat hij in alle drie dimensies vrij kan draaien. In zo'n ophanging blijft de as altijd één kant op wijzen. Door deze eigenschap is de gyroscoop praktisch onmisbaar geworden als richtinstrument in vliegtuigen, schepen, torpedo's en raketten. Zie bijvoorbeeld de V2-raket.
Wanneer een gyroscoop eenmaal in beweging is gebracht, zal door de wet van behoud van impulsmoment de draaias in dezelfde richting blijven. Léon Foucault demonstreerde aan de hand van dit principe dat de aarde om haar as draait. Door de draaiing van de aarde lijkt het namelijk of de gyroscoop in een etmaal om zijn as draait. Omdat de gyroscoop ten opzichte van de ruimte stilstaat moet de aarde dus wel om haar as draaien
Gyroscoop Precessie |
| Beweging van een tol of een planeet: |
Als de gyroscoop slechts op een punt wordt ondersteund, zal precessie optreden. Het lijkt dan of de gyroscoop op een onmogelijke manier met de wetten van de zwaartekracht spot. Dit gedrag is het gevolg van het moment uitgeoefend door de zwaartekracht op het impulsmoment, wat een resultante loodrecht op de zwaartekracht tot gevolg heeft.
Hoe groter het impulsmoment, des te lager de precessiesnelheid. Zo duurt een precessieperiode van de aarde 25.800 jaar. Nutatie is de "bibberende" beweging van een tol of een planeet ten gevolge van de massaverdeling binnen het voorwerp.
Geschiedenis
Een voorloper van de gyroscoop was de spiegeltol van John Serson uit de jaren 1740-1749. De vroegst bekende versie van een gyroscoop werd in 1817 gemaakt door de Duitse astronoom en wiskundige Johann Gottlieb Friedrich von Bohnenberger. Zijn toestel, dat de Bohnenberger Maschine werd genoemd, bestond uit een roterende ivoren bol gemonteerd in een cardanische ophanging. In 1832 ontwikkelde de Amerikaanse professor Walter R. Johnson de Rotascope, een gyroscoop met een roterende schijf.
De Franse wiskundige Pierre-Simon Laplace, destijds werkzaam aan de École Polytechnique te Parijs, adviseerde om de machine van Bohnenberger te gebruiken voor educatieve doeleinden. Op deze wijze kwam het onder de aandacht van Foucault, die in 1851 het principe achter de gyroscoop verklaarde. Hij gebruikte de gyroscoop in het kader van zijn experiment om aan te tonen dat de aarde om zijn eigen as draait.
Rond 1860 kwamen de eerste elektromotoren beschikbaar, wat leidde tot de ontwikkeling van het gyrokompas. Tussen 1905 en 1908 bouwde de Duitse uitvinder Hermann Anschütz-Kaempfe de eerste functionele maritieme gyrokompassen. De Amerikaan Elmer Sperry volgde in 1910 met een eigen ontwerp.
Toepassing
In de scheep- en luchtvaart wordt de gyroscoop gebruikt als kompas. Gyroscopische kompassen zijn nauwkeuriger dan kompassen die gebruikmaken van het aardmagnetisch veld, die storing ondervinden van de aanwezigheid van ijzer. Gyroscopische kompassen hebben hier geen last van. Een gyrokompas moet echter wel regelmatig worden geijkt. Dit gebeurt meestal aan de hand van de sterren, het zogenaamde nemen van een azimut, of het peilen van een lichtlijn.
De Gravity Probe B-missie van de NASA voert een experiment uit met behulp van uiterst nauwkeurige gyroscopen, om de relativiteitstheorie te bevestigen.
Voor film- en televisie-opnamen worden gyroscopen gebruikt om de camera te stabiliseren. De gyroscoop merkt bewegingen van de camera op en de actuator maakt vervolgens een tegengestelde beweging. Gyroscopen worden bijvoorbeeld gebruikt bij opnamen met een helikopter, om de schokbewegingen als gevolg van de wind en de rotorbladen te corrigeren. Voor deze toepassing kunnen wel vijf gyroscopen gebruikt worden.
Vibratiegyroscoop
Een trillend voorwerp kan ook dienen als gyroscoop. Bij vliegende insecten kunnen zogenoemde haltertjes bij de vleugels zo'n rol spelen. Doordat een trillende massa veel gemakkelijker in micro-elektronica is te integreren dan een draaiend wiel wordt deze vorm in toenemende mate gebruikt in de elektronica van voertuigen, video- en fotoapparatuur (beeldstabilisator) en spelconsoles.
De vibratiegyroscoop is voor te stellen als een zeer kleine slinger van Foucault. Het fysieke principe lijkt op dat van de draaiende gyroscoop: een trillend voorwerp - bijvoorbeeld door een piëzo-elektrisch kristal aangedreven - heeft de neiging om langs dezelfde as te blijven bewegen. Als het in een andere richting gedwongen wordt is daar een kracht voor nodig, en die corioliskracht is elektronisch te detecteren.
In de technische literatuur wordt dit soort apparaten aangeduid als micro-elektromechanisch systeem (MEMS).
Optische gyroscoop
In onderzeeërs en vliegtuigen wordt tegenwoordig gebruikgemaakt van een optische gyroscoop of ringlasergyrokompas waar geen bewegende onderdelen meer in zitten – waardoor de toevoeging gyro feitelijk onjuist is. Een lichtstraal wordt gesplitst en via verschillende gebogen banen weer gecombineerd. Een faseverschil kan dan gemeten worden als het apparaat in de tussentijd meer in de richting van één baan dan in die van een andere baan is geroteerd. Men noemt dit naar de uitvinder het sagnac-effect.
Externe links
- Uitgebreide uitleg gyroscopen in het Engels, Georgia State University
- Uitleg werking optische gyroscoop in het Nederlands, Auteur: Benoit Willems - KU Leuven ESAT
 |
Zie de categorie Gyroscopes van Wikimedia Commons voor mediabestanden over dit onderwerp. |