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Was ist ein Gyroskop?
Ein Gyroskop ist ein Instrument, das dazu dient, die Ausrichtung und die Winkelgeschwindigkeit eines Objekts aufrechtzuerhalten oder zu bewahren. Dazu nutzt es das Prinzip der Erhaltung des Drehimpulses. Ausgestattet mit einer frei rotierenden Scheibe ist das Gyroskop in der Lage, alle möglichen Ausrichtungen einzunehmen und dabei seine Drehachse unverändert beizubehalten.
Wenn sich die Rotationsscheibe eines Gyroskops dreht, bleibt die Drehachse des Instruments nämlich stabil, selbst auf einer geneigten Unterlage. Je mehr Geschwindigkeit die Scheibe aufnimmt, desto größer wird auch das Drehimpulsmoment, wodurch das Gyroskop und das Objekt, in dem es sich befindet, stabilisiert werden.
Die Präzessionsbewegung
Würde während der Drehung eine Kraft auf die Achse einwirken, gerät das Gyroskop aus dem Gleichgewicht. Die Achse bewegt sich langsamer und folgt dabei einer konischen Bewegung, die als Präzessionsbewegung bezeichnet wird. Das Gyroskop dreht sich weiter, fällt aber nicht um.
Das Gyroskop und die kinetische Bewegung
In der Physik und der klassischen Mechanik sind das Gyroskop und der Drehimpuls untrennbar miteinander verbunden. Während Ersteres einen Mechanismus zur Beobachtung von Rotation und Winkelposition bezeichnet, ist Letzteres eine Vektorgröße, die zur Erhaltung eben dieser Rotation herangezogen wird. Erfahren Sie hier alles, was Sie über das Gyroskop und den Drehimpuls wissen müssen.
Der Drehimpuls
Das Drehmoment, auch Winkelimpuls genannt, ist eine Vektorgröße, die dieselbe Richtung und denselben Sinn wie die Winkelgeschwindigkeit hat. Damit dies möglich ist, muss die Drehachse des Objekts gleichzeitig seine Symmetrieachse sein.
Von einem materiellen Punkt M zu einem Punkt O ist das Drehmoment laut Wikipedia gleich dem Moment des Impulses in Bezug auf den Punkt O. Wenn sich das Drehmoment nicht ändert, bleibt die Drehachse stabil. Dies ist die Erhaltung des Drehmoments oder der Gyroskopeffekt.
Der Gyroskopeffekt
Um diesen Mechanismus konkret zu verstehen, nehmen Sie ein Fahrradrad. Halten Sie es mit ausgestrecktem Arm an den Muttern der Nabe fest. Bitten Sie jemanden, das Rad schnell zu drehen. Wenn Sie versuchen, sich in Richtung des sich drehenden Rades zu beugen, werden Sie einen Widerstand spüren. Es ist die Erhaltung des Drehimpulses, die dieser Bewegung entgegenwirkt. Es ist derGyroskopeffekt , der dafür sorgt, dass dieses Rad im Gleichgewicht bleibt. Es ist wichtig zu beachten, dass der Gyroskopeffekt mit der Drehgeschwindigkeit zunimmt.
Geschichte des Gyroskops
Das erste dreiachsige Gyroskop wurde 1852 von Léon Foucault erfunden. Dieser ist bekannt dafür, das Foucaultsche Pendel entwickelt zu haben. Bei einem Experiment zur Erdrotation stellte Foucault fest, dass sich sein Pendel im Vergleich zur Erdrotation langsam drehte. Dieses Experiment veranlasste ihn, ein Instrument zu entwickeln, das in der Lage war, eine schnelle Rotation über einen längeren Zeitraum aufrechtzuerhalten. Zusammen mit seinem Mitarbeiter Forment schuf er das Gyroskop. Er stellte außerdem fest, dass dieses neue Instrument in der Lage war, den Norden anzuzeigen und sich am Meridian auszurichten. Er nannte es den Gyrokompass.
Ab dem Ende des 19. Jahrhunderts tauchten die ersten motorisierten Gyroskope auf. Gyrokompasse werden nun verwendet, um den geografischen Norden und nicht den magnetischen Norden anzuzeigen. Letztere ersetzen auch die Kompasse auf Schiffen. Ab dem 20. Jahrhundert waren Gyrokompasse in der militärischen Ausrüstung zu finden.
Heute werden Gyroskope auch zur Stabilisierung elektronischer Geräte eingesetzt. Man findet sie mittlerweile in Uhren, aber auch in Smartphones, wo sie in Form von elektromechanischen Inertialsystemen zum Einsatz kommen.
Die Bestandteile eines Gyroskops
Ein mechanisches Gyroskop besteht im Wesentlichen aus folgenden Elementen:
- Eine rotierende Scheibe in der Mitte. Im Zentrum dieser Scheibe befindet sich der Schwerpunkt des Gyroskops, ohne den das Gerät nicht funktionieren kann.
- Eine Drehachse, die durch den Mittelpunkt der Scheibe verläuft und in eine beliebige Richtung zeigt.
- Drei Kardangelenke (drehbare Lager, die es einem Objekt ermöglichen, sich um eine einzige Achse zu drehen), die ein dreiachsiges Gyroskop ermöglichen:
- Ein erstes, das über Kugellager an der Achse befestigt ist.
- Ein zweites ist an der inneren Achse befestigt
- Ein drittes ist am Außenrahmen befestigt
Anwendungen des Gyroskops
Das Gyroskop wird heute in vielen Bereichen außerhalb der Physik sowie in zahlreichen Branchen (Industrie, Luftfahrt, Erdölindustrie usw.) eingesetzt. Es wird verwendet in:
- Zur Steuerung von Torpedos und Raketen
- Die Koordination oder Anzeige von Kurvenflügen in einem Flugzeug
- Die Herstellung bestimmter Anti-Stress-Objekte wie Kreisel, Jo-Jos, Vortecons oder Spinner
- Die Stabilisierung von Kameras bei der Aufnahme von sich bewegenden Objekten
- Der Bau von Motorrädern, Fahrrädern oder Zweirädern im Gleichgewicht
- Der Bau von ferngesteuerten Hubschraubern und vieles mehr
Darüber hinaus wird dieses Instrument auch in Raumstationen, an Bord des Hubble-Weltraumteleskops und in verschiedenen anderen Bereichen eingesetzt, die den Experten der Physik vorbehalten sind.