جيروسكوب

باختصار، الجيروسكوب عبارة عن بلبل مُدمج مع زوج من المحاور . وقد اختُرعت البلابل في العديد من الحضارات المختلفة، بما في ذلك اليونان القديمة وروما والصين. ^{[ 5 ]} ولم تُستخدم معظم هذه البلابل كأدوات.

تم اختراع أول جهاز معروف يشبه الجيروسكوب (المنظار الدوار أو منظار سيرسون) بواسطة جون سيرسون في عام 1743. وقد تم استخدامه كميزان لتحديد الأفق في الظروف الضبابية أو الضبابية.

صنع يوهان بوننبرغر الألماني أول جهاز يُشبه الجيروسكوب الحقيقي ، وقد كتب عنه لأول مرة عام 1817. أطلق عليه في البداية اسم "الآلة". ^{[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]} اعتمدت آلة بوننبرغر على كرة ضخمة دوارة. ^{[ 9 ]} في عام 1832، طوّر الأمريكي والتر ر. جونسون جهازًا مشابهًا يعتمد على قرص دوار. ^{[ 10 ] [ 11 ]} أوصى عالم الرياضيات الفرنسي بيير سيمون لابلاس ، الذي كان يعمل في المدرسة المتعددة التقنيات في باريس، باستخدام الآلة كوسيلة تعليمية، ومن هنا لفتت انتباه ليون فوكو . ^{[ 12 ]}

في عام 1852، استخدم فوكو هذه النظرية في تجربة لإثبات دوران الأرض. ^{[ 13 ] [ 14 ]}

كان فوكو هو من أعطى الجهاز اسمه الحديث، في تجربة لرؤية (اليونانية skopeein 'رؤية') دوران الأرض (اليونانية gyros 'دائرة، دوران')، ^{[ 15 ] [ 16 ]} والذي كان مرئيًا في 8 إلى 10 دقائق قبل أن يؤدي الاحتكاك إلى إبطاء الدوار الدوار.

في ستينيات القرن التاسع عشر، أتاح ظهور المحركات الكهربائية إمكانية دوران الجيروسكوب بشكل مستمر، مما أدى إلى ظهور أول نموذج أولي لمؤشرات الاتجاه ، وجهاز أكثر تعقيدًا يُعرف بالبوصلة الجيروسكوبية . حصل المخترع الألماني هيرمان أنشوتز-كامبف على براءة اختراع أول بوصلة جيروسكوبية عملية عام 1904. ^{[ 17 ]} وفي وقت لاحق من ذلك العام، قدم الأمريكي إلمر سبيري تصميمه الخاص، وسرعان ما أدركت دول أخرى الأهمية العسكرية لهذا الاختراع - في عصر كانت فيه البراعة البحرية أهم مقياس للقوة العسكرية - فأنشأت صناعاتها الخاصة بالجيروسكوبات. وسرعان ما توسعت شركة سبيري للجيروسكوبات لتوفير مثبتات الطائرات والسفن أيضًا، وحذا مطورو الجيروسكوبات الآخرون حذوها. ^{[ 18 ]}

في حوالي عام ١٩١١، بدأت شركة إل تي هيرست للتصنيع في إنديانابوليس بإنتاج "جيروسكوب هيرست"، وهو عبارة عن لعبة جيروسكوبية مزودة بخيط سحب وقاعدة. وفي وقت لاحق، نُقلت عملية التصنيع إلى شركة تشاندلر للتصنيع (التي احتفظت بعلامة هيرست التجارية). ثم أُعيد تسمية المنتج لاحقًا إلى "جيروسكوب تشاندلر"، على الأرجح لأن شركة تشاندلر للتصنيع استحوذت على حقوق الجيروسكوب. استمرت تشاندلر في إنتاج اللعبة حتى استحوذت عليها شركة تيدكو في عام ١٩٨٢. ولا تزال تيدكو تُنتج الجيروسكوب حتى اليوم. ^{[ ١٩ ] [ ٢٠ ]}

في العقود الأولى من القرن العشرين، حاول مخترعون آخرون (دون جدوى) استخدام الجيروسكوبات كأساس لأنظمة الملاحة المبكرة ذات الصندوق الأسود، وذلك بإنشاء منصة مستقرة يمكن من خلالها إجراء قياسات دقيقة للتسارع (لتجاوز الحاجة إلى رصد النجوم لحساب الموقع). وقد استُخدمت مبادئ مماثلة لاحقًا في تطوير أنظمة الملاحة بالقصور الذاتي للصواريخ الباليستية . ^{[ 21 ]}

خلال الحرب العالمية الثانية، أصبح الجيروسكوب المكون الرئيسي لأجهزة التصويب في الطائرات والمدفعية المضادة للطائرات. ^{[ 22 ]} بعد الحرب، أدى التنافس على تصغير الجيروسكوبات للصواريخ الموجهة وأنظمة الملاحة إلى تطوير وتصنيع ما يُسمى بالجيروسكوبات القزمة ، التي يقل وزنها عن 85 غرامًا (3 أونصات) ويبلغ قطرها حوالي 2.5 سم (بوصة واحدة) . ويمكن لبعض هذه الجيروسكوبات المصغرة أن تصل إلى سرعة 24000 دورة في الدقيقة في أقل من 10 ثوانٍ. ^{[ 23 ]}  

لا تزال الجيروسكوبات تشكل تحديًا هندسيًا. فعلى سبيل المثال، يجب أن تكون محامل المحور دقيقة للغاية. ويتم إدخال قدر ضئيل من الاحتكاك عمدًا في المحامل، لأنه بدون ذلك، ستكون الدقة أفضل من${\displaystyle 10^{-7}}$ يلزم بوصة واحدة (2.5 نانومتر). ^{[ 24 ]}

تُستخدم الجيروسكوبات ثلاثية المحاور القائمة على تقنية الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة (MEMS) أيضًا في الأجهزة الإلكترونية المحمولة مثل ^{الأجهزة اللوحية [25] والهواتف الذكية [26] والساعات الذكية [27} ] . ^{يُضاف هذا إلى} قدرة استشعار ^{التسارع ثلاثية} المحاور المتوفرة ^{في الأجيال السابقة} من الأجهزة. توفر هذه المستشعرات مجتمعةً استشعارًا للحركة بستة مكونات؛ مقاييس تسارع لحركة المحاور X وY وZ، وجيروسكوبات لقياس مدى وسرعة الدوران في الفضاء (الدوران، والميل، والانعراج). تتضمن بعض الأجهزة ^{[ 28 ] [ 29 ]} أيضًا مقياسًا مغناطيسيًا لتوفير قياسات زاوية مطلقة بالنسبة للمجال المغناطيسي للأرض. تتضمن وحدات القياس بالقصور الذاتي الأحدث القائمة على تقنية MEMS ما يصل إلى جميع محاور الاستشعار التسعة في حزمة دارة متكاملة واحدة، مما يوفر استشعارًا للحركة غير مكلف ومتوفرًا على نطاق واسع ^{[ 30 ] .}

تصف الصلابة في الفضاء مبدأ بقاء الجيروسكوب في موضعه الثابت على المستوى الذي يدور فيه، دون أن يتأثر بدوران الأرض، كما هو الحال مع عجلة دراجة دوارة. وقد استُخدمت أشكال مبكرة من الجيروسكوب (لم تكن تُعرف آنذاك بهذا الاسم) لتوضيح هذا المبدأ. ^{[ 31 ]}

يمكن وصف حالة بسيطة من التبادر، والمعروفة أيضًا بالتبادر الثابت، بالعلاقة التالية مع اللحظة :

${\displaystyle \sum M_{x}=-I{\phi '}^{2}\sin \theta \cos \theta +I_{z}\phi '\sin \theta (\phi '\cos \theta +\psi ')}$

أين ${\displaystyle \phi '}$يمثل التبادر، ${\displaystyle \psi '}$يتم تمثيلها بالدوران،${\displaystyle \theta }$هي زاوية التذبذب، و${\displaystyle I}$يمثل عزم القصور الذاتي على طول محوره. وتكون هذه العلاقة صحيحة فقط عندما تكون العزوم على طول المحورين Y و Z مساوية للصفر.

يمكن تبسيط المعادلة أكثر بملاحظة أن السرعة الزاوية على طول المحور z تساوي مجموع التبادر والدوران:${\displaystyle \omega _{z}=\phi '\cos \theta +\psi '}$، أين${\displaystyle \omega _{z}}$يمثل السرعة الزاوية على طول المحور z.

${\displaystyle \sum M_{x}=-I{\psi '}^{2}\sin \theta \cos \theta +I_{z}\psi '(\sin \theta )\omega _{z}}$

أو

${\displaystyle \sum M_{x}=\psi '\sin \theta (I_{z}\omega _{z}-I\psi '\cos \theta )}$^{[ 32 ]}

التذبذب الجيروسكوبي هو ظاهرة ناتجة عن عزم الدوران. وهو معدل تغير الزخم الزاوي الناتج عن عزم الدوران المُطبق. يُنتج التذبذب نتائج ديناميكية غير بديهية، مثل عدم سقوط البلبل الدوار . يُستخدم التذبذب في تطبيقات الفضاء الجوي لاستشعار تغيرات الوضع والاتجاه.

استُخدمت كاميرا ستيديكام أثناء تصوير فيلم " عودة الجيداي" عام 1983 ، بالإضافة إلى جيروسكوبين لزيادة الثبات، لتصوير المشاهد الخلفية لمطاردة الدراجات النارية السريعة . قام غاريت براون، مخترع ستيديكام ، بتشغيل اللقطة، سائراً عبر غابة من أشجار السكويا، مُشغلاً الكاميرا بمعدل إطار واحد في الثانية. وعند عرضها بمعدل 24 إطاراً في الثانية، أعطت انطباعاً بالتحليق في الهواء بسرعات عالية. ^{[ 33 ] [ 34 ]}

يحتوي مؤشر الاتجاه أو الجيروسكوب الاتجاهي على محور دوران أفقي يشير إلى الشمال. وعلى عكس البوصلة المغناطيسية، فهو لا يبحث عن الشمال. فعند استخدامه في طائرة، على سبيل المثال، سينحرف ببطء عن الشمال، وسيحتاج إلى إعادة توجيهه دوريًا باستخدام البوصلة المغناطيسية كمرجع. ^{[ 35 ]}

على عكس الجيروسكوب الاتجاهي أو مؤشر الاتجاه، يبحث الجيروسكوب عن الشمال. فهو يرصد دوران الأرض حول محورها ويحدد الشمال الحقيقي ، وليس الشمال المغناطيسي . عادةً ما تحتوي البوصلات الجيروسكوبية على نظام تخميد مدمج لمنع تجاوز الإشارة عند إعادة معايرتها بعد حركة مفاجئة.

من خلال تحديد تسارع الجسم وتكامله مع الزمن، يمكن حساب سرعة الجسم. وبإجراء التكامل مرة أخرى، يمكن تحديد موقعه. أبسط أنواع مقاييس التسارع عبارة عن ثقل حر الحركة أفقيًا، متصل بنابض وجهاز لقياس قوة الشد فيه. ويمكن تحسين هذا النوع بإضافة قوة معاكسة لدفع الثقل للخلف وقياس القوة اللازمة لمنعه من الحركة. أما التصميم الأكثر تعقيدًا فيتكون من جيروسكوب مثبت على أحد محاوره ثقل. يتفاعل الجهاز مع القوة الناتجة عن الثقل عند تسارعه، وذلك بتكامل هذه القوة لحساب السرعة. ^{[ 36 ]}

يتكون الجيروسكوب من دولاب موازنة ضخم مخفي داخل غلاف صلب. ^{[ 37 ] [ 38 ]} ويُستخدم سلوكه على طاولة، أو مع أوضاع تعليق أو دعم مختلفة، لتوضيح الانعكاس الغريب لقوانين التوازن السكوني المعتادة نتيجةً للسلوك الجيروسكوبي لدولاب الموازنة الداخلي غير المرئي عند دورانه بسرعة. صمم اللورد كلفن أول جيروسكوب لتوضيح حالة الحركة الأكثر تعقيدًا لجسم دوار عندما يكون حرًا في الحركة على مستوى أفقي، مثل دولاب يدور على الرصيف، أو دراجة هوائية على الطريق. ^{[ 39 ]} كما استخدم كلفن ^{[ 40 ]} الجيروسكوبات لتطوير نظريات ميكانيكية حول مرونة المادة والأثير. ^{[ 41 ]} وفي ميكانيكا الأوساط المتصلة الحديثة، توجد مجموعة متنوعة من هذه النماذج، تستند إلى أفكار اللورد كلفن. تمثل هذه النظريات نوعًا محددًا من نظريات كوسيرات (التي اقترحها لأول مرة يوجين كوسيرات وفرانسوا كوسيرات )، والتي يمكن استخدامها لوصف المواد الذكية المصنعة، فضلًا عن الوسائط المعقدة الأخرى. إحداها، ما يُسمى بوسط كلفن، لها نفس معادلات العوازل المغناطيسية بالقرب من حالة التشبع المغناطيسي في تقريب شبه المغناطيسية الساكنة. ^{[ 42 ]}

في العصر الحديث، يُستخدم مفهوم الجيروسكوب في تصميم أنظمة التحكم في وضعية المركبات الفضائية والأقمار الصناعية في المدار. ^{[ 43 ]} على سبيل المثال، احتوت محطة الفضاء مير على ثلاثة أزواج من عجلات التوازن المثبتة داخليًا والمعروفة باسم الجيروسكوبات أو جيروسكوبات عزم التحكم . ^{[ 44 ]}

في الفيزياء، توجد عدة أنظمة تشبه معادلاتها الديناميكية معادلات حركة الجيروسكوب. ^{[ 45 ]} ومن الأمثلة على ذلك: جسم صلب ذو تجويف مملوء بسائل متجانس غير لزج وغير قابل للانضغاط، ^{[ 46 ]} وتكوين التوازن الساكن لقضيب مرن مُجهد في نظرية المرونة ، ^{[ 47 ]} وديناميكيات استقطاب نبضة ضوئية تنتشر عبر وسط غير خطي، ^{[ 48 ]} ونظام لورنز في نظرية الفوضى، ^{[ 49 ]} وحركة أيون في مطياف كتلة مصيدة بنينغ . ^{[ 50 ]}

الجيروسكوب الكهروميكانيكي الدقيق (MEMS) هو جيروسكوب مصغر يُستخدم في الأجهزة الإلكترونية. وهو يعتمد على فكرة بندول فوكو ويستخدم عنصرًا مهتزًا. استُخدم هذا النوع من الجيروسكوبات لأول مرة في التطبيقات العسكرية، ولكنه أصبح يُستخدم على نطاق واسع في التطبيقات التجارية. ^{[ 51 ]}

يستخدم الجيروسكوب الرنان نصف الكروي (HRG)، والذي يُسمى أيضًا جيروسكوب كأس النبيذ ^{[ 52 ]} أو جيروسكوب الفطر، غلافًا نصف كروي رقيقًا صلبًا، مثبتًا بساق سميكة. يُدفع هذا الغلاف إلى رنين انحنائي بفعل قوى كهروستاتيكية مُولَّدة بواسطة أقطاب كهربائية مُثبَّتة مباشرةً على هياكل منفصلة من الكوارتز المنصهر تُحيط بالغلاف. وينتج التأثير الجيروسكوبي من خاصية القصور الذاتي للموجات المستقرة الانحنائية. ^{[ 53 ]}

يستخدم الجيروسكوب ذو البنية المهتزة (VSG)، والذي يُسمى أيضًا جيروسكوب كوريوليس الاهتزازي (CVG)، ^{[ 54 ]} رنانًا مصنوعًا من سبائك معدنية مختلفة. ويُصنف هذا الجيروسكوب بين جيروسكوب MEMS منخفض الدقة والتكلفة، وجيروسكوب الألياف الضوئية عالي الدقة والتكلفة. وتتحسن معايير الدقة باستخدام مواد ذات تخميد ذاتي منخفض، وتفريغ الرنان من الهواء، والإلكترونيات الرقمية لتقليل الانحراف وعدم استقرار إشارات التحكم تبعًا لدرجة الحرارة. ^{[ 55 ]}

تُستخدم رنانات كأس النبيذ عالية الجودة في أجهزة الاستشعار الدقيقة مثل HRG. ^{[ 56 ]}

الجيروسكوب المضبوط ديناميكيًا (DTG) عبارة عن دوار معلق بواسطة مفصل عالمي مزود بمحاور مرنة. ^{[ 57 ]} صلابة زنبرك المرونة مستقلة عن سرعة الدوران. مع ذلك، فإن القصور الذاتي الديناميكي (الناتج عن تأثير رد الفعل الجيروسكوبي) من المحور يوفر صلابة زنبركية سالبة تتناسب مع مربع سرعة الدوران (Howe and Savet, 1964; Lawrence, 1998). لذلك، عند سرعة معينة، تُسمى سرعة الضبط، يلغي العزمان بعضهما بعضًا، مما يحرر الدوار من عزم الدوران، وهو شرط ضروري للجيروسكوب المثالي.

يعتمد الجيروسكوب الليزري الحلقي على تأثير ساغناك لقياس الدوران عن طريق قياس نمط التداخل المتغير لشعاع منقسم إلى شعاعين منفصلين يدوران حول الحلقة في اتجاهين متعاكسين.

عندما دخلت طائرة بوينغ 757-200 الخدمة عام 1983، زُوّدت بأول جيروسكوب ليزري حلقي مناسب. استغرق تطوير هذا الجيروسكوب سنوات عديدة، وخضعت النماذج التجريبية لتعديلات كثيرة قبل أن يعتبرها مهندسو ومديرو شركتي هانيويل وبوينغ جاهزة للإنتاج. كان ذلك نتيجةً للمنافسة مع الجيروسكوبات الميكانيكية التي شهدت تطورًا مستمرًا. والسبب وراء اختيار هانيويل، من بين جميع الشركات، لتطوير الجيروسكوب الليزري هو أنها كانت الشركة الوحيدة التي لم يكن لديها خط إنتاج ناجح للجيروسكوبات الميكانيكية، وبالتالي لم تكن لتنافس نفسها. تمثلت المشكلة الأولى التي واجهتها في أن الجيروسكوبات الليزرية لا تستطيع رصد الدورانات التي تقل عن حد أدنى معين، وذلك بسبب مشكلة تُعرف باسم "التزامن"، حيث يعمل الشعاعان كمذبذبين متصلين، ويجذب كل منهما تردد الآخر نحو التقارب، وبالتالي ينعدم الناتج. وكان الحل هو هز الجيروسكوب بسرعة لمنعه من الوصول إلى حالة التزامن. على نحوٍ مُفارِق، أدّى التذبذب المُنتظم للغاية إلى تراكم فترات قصيرة من التزامن عندما كان الجهاز ساكنًا عند أقصى مدى لحركته الاهتزازية. وقد تمّت معالجة هذه المشكلة بتطبيق ضوضاء بيضاء عشوائية على الاهتزاز. كما تمّ تغيير مادة الكتلة من الكوارتز إلى سيراميك زجاجي جديد يُدعى Cer-Vit ، من إنتاج شركة Owens Corning ، بسبب تسربات الهيليوم. ^{[ 58 ]}

يستخدم الجيروسكوب الليفي البصري أيضًا تداخل الضوء للكشف عن الدوران الميكانيكي. ينتقل نصفي الشعاع المنقسم في اتجاهين متعاكسين داخل لفة من كابل الألياف البصرية يصل طولها إلى 5  كيلومترات. ومثل الجيروسكوب الليزري الحلقي ، فإنه يستفيد من تأثير ساغناك . ^{[ 59 ]}

يعتمد جيروسكوب عزم لندن على ظاهرة ميكانيكية كمومية، حيث يُولّد موصل فائق الدوران مجالًا مغناطيسيًا يتطابق محوره تمامًا مع محور دوران الدوّار الجيروسكوبي. ويحدد مقياس مغناطيسي اتجاه المجال المتولد، والذي يُستخدم لتحديد محور الدوران. تتميز الجيروسكوبات من هذا النوع بدقة واستقرار فائقين. فعلى سبيل المثال، قاس الجيروسكوب المستخدم في تجربة مسبار الجاذبية B تغيرات في اتجاه محور دوران الجيروسكوب بدقة أفضل من 0.5 ملي ثانية قوسية (1.4 × 10⁻⁶ ثانية قوسية).^-7 درجات، أو حوالي2.4 × 10⁻⁹ راديان  ) على مدى عام واحد. ^{[ 60 ]} وهذا يعادل فصلًا زاويًا بعرض شعرة بشرية عند النظر إليها من مسافة 32 كيلومترًا ⁽ 20 ميلًا) . ^{[ 61 ]} 

يتكون الجيروسكوب GP-B من كتلة دوارة كروية مثالية تقريبًا مصنوعة من الكوارتز المنصهر ، والذي يوفر دعامة عازلة لطبقة رقيقة من مادة النيوبيوم فائقة التوصيل. وللتخلص من الاحتكاك الموجود في المحامل التقليدية، يتم توسيط مجموعة الدوار بواسطة المجال الكهربائي الناتج عن ستة أقطاب كهربائية. بعد بدء الدوران الأولي بواسطة نفث من الهيليوم، والذي يرفع سرعة الدوار إلى 4000 دورة في الدقيقة ، يتم تفريغ غلاف الجيروسكوب المصقول إلى فراغ فائق لتقليل مقاومة الهواء على الدوار. وبشرط أن تظل إلكترونيات التعليق موصولة بالكهرباء، فإن التناظر الدوراني الشديد ، وانعدام الاحتكاك، وانخفاض مقاومة الهواء، ستسمح للزخم الزاوي للدوار بإبقائه يدور لمدة 15000 عام تقريبًا. ^{[ 62 ]}

جهاز SQUID حساس يعمل بالتيار المستمر، قادر على التمييز بين التغيرات الصغيرة التي تصل إلى كم واحد، أو حوالي 2 × 10^{يُستخدم جهد مقداره -15} ويبر لمراقبة الجيروسكوب. يؤدي التبادر ، أو الميل، في اتجاه الدوار إلى إزاحة المجال المغناطيسي لعزم لندن بالنسبة للغلاف. يمر المجال المتحرك عبر حلقة التقاط فائقة التوصيل مثبتة على الغلاف، مما يُحفز تيارًا كهربائيًا صغيرًا. يُنتج هذا التيار جهدًا عبر مقاومة تحويل، يتم تحويله إلى إحداثيات كروية بواسطة معالج دقيق. صُمم النظام لتقليل عزم لورنتز على الدوار. ^{[ 63 ] [ 64 ]}

يعمل الدوار الرئيسي للمروحية كجيروسكوب. تتأثر حركته بمبدأ التبادر الجيروسكوبي، وهو المفهوم القائل بأن القوة المؤثرة على جسم دوار ستصل إلى أقصى رد فعل لها بعد حوالي 90 درجة. قد يختلف رد الفعل عن 90 درجة عند وجود قوى أخرى أقوى. ^{[ 65 ]} لتغيير الاتجاه، يجب على المروحيات تعديل زاوية الميل وزاوية الهجوم. ^{[ 66 ]}

سيارة "جيرو إكس" النموذجية، التي ابتكرها أليكس تريموليس وتوماس سامرز عام ١٩٦٧، اعتمدت على الحركة الدورانية للعجلتين. يتكون نظامها من دولاب موازنة مثبت في غلاف دوار أسفل غطاء المحرك، يعمل كجيروسكوب كبير. يدور دولاب الموازنة بواسطة مضخات هيدروليكية، مما يُحدث تأثيرًا دورانيًا على السيارة. يتولى مكبس اهتزازي تدوير الجيروسكوب لتغيير اتجاه قوة الاهتزاز، وبالتالي موازنة أي قوى تُسبب اختلال توازن السيارة. يُعرض هذا النموذج الفريد الآن في متحف "لين موتور" في ناشفيل، تينيسي. ^{[ ٦٧ ]}

• فاينمان، ريتشارد؛ غوتليب، مايكل؛ لايتون، رالف (2013). نصائح فاينمان في الفيزياء، ملحق لحل المسائل لمحاضرات فاينمان في الفيزياء . دار بيسيك بوكس ​​للنشر.