ژیروسکوپ چیست؟

ژیروسکوپ یا ژیرو و یا چرخش نما در بسیاری از سیستم‌های مستقل ناوبری از ژیروسکوپ برای تعیین جهت و اندازه‌گیری سرعت زاویه‌ای استفاده می‌شود. ژیروسکوپ می‌تواند سرعت چرخش را در ۱، ۲، یا ۳ جهت اندازه‌گیری کند.

اولین ژیروسکوپ در قرن ۱۹ و به‌وسیله یوهان بوهننبرگر آلمانی شناخته و ساخته شد.

ژیروسکوپ‌های MEMS، سیستم‌ الکترومکانیکی، حسگرهای کوچک و ارزانی هستند که برای اندازه‌گیری سرعت زاویه‌ای استفاده می‌شود. واحد سرعت زاویه‌ای سرعت چرخش آن است که این واحد اندازه‌گیری شده درجه بر ثانیه (S⁄°) یا دوران بر ثانیه (RPS) است.

ژیروسکوپ مکانیکی دستگاهی است که از یک چرخ نخ‌ریسی به همراه ۲ حلقه مدور به عمود بر یکدیگر سوار شده‌اند، تشکیل‌شده است. این چرخ نخ‌ریسی به دور محور خود با صرف‌نظر از هم ترازی با حلقه بیرونی می‌چرخد؛ و حلقه‌های عمود بر هم با توجه به چرخش چرخ نخ‌ریسی، به گردش درمی‌آیند.

عضو اصلی ژیروسکوپ‌های مکانیکی، یک دستگاه دوار یا رو تور است که با سرعت زیاد حول محور تقارن خود می‌چرخد، این سرعت از ۳۰۰۰تا ۳۰۰۰۰۰ دور در دقیقه می‌باشد لذا در اثر اینرسی جرم دوار، اندازه حرکت (ممنتوم) نسبتاً بزرگی ایجاد می‌شود. اگر یاتاقان بندی محور چرخش را در طوقه‌ای معلق تعبیه کنیم به‌نحوی‌که گشتاور خارجی به آن وارد نشود، باوجود تمام حرکت‌های قاب، محور چرخش رو تور همواره به جهت ثابتی اشاره می‌کند و موقعیت خود را در فضا نگه می‌دارد. با این روش می‌توان جهت و یا محورهای ثابتی را برای وسیله نقلیه تعریف کرد که هرگونه حرکت زاویه‌ای نسبت به این محورها سنجیده شود.

ژیروسکوپ (Gyroscope) نقش پررنگی در عرصه بازی‌ها در کنسول‌ها و گوشی‌های هوشمند دارد. ابداع این فناوری توانسته امکان بازی بدون دسته و دکمه را درگوشی‌های هوشمند فراهم کند. در سال ۲۰۱۰ استیو جابز از این فناوری درگوشی آیفون ۴ برای اولین بار استفاده کرد که یکی از ویژگی‌های منحصربه‌فرد این گوشی ماندگار شد.

شرکت اپل تقریباً در تمامی محصولات جدید خود مانند iPhone - iPod – iPad از فناوری ژیروسکوپ استفاده می‌کند.

امروزه ژیروسکوپ در تلفن‌های همراه تحت عنوان چرخش خودکار صفحه (screen rotation) که پس از فعال کردن این گزینه در تلفن همراه کاربرد دارد. تلفن‌های همراه نیز دارای حس‌گر ژیروسکوپ هستند که از آن برای مشخص شدن وضعیت قرارگیری گوشی استفاده می‌شود. مثل وقتی‌که گوشی خود را می‌چرخانید و گوشی آن را تشخیص می‌دهد و صفحه‌نمایش را تنظیم می‌کند.

کاربردهای ژیروسکوپ یا چرخش نما شامل هدایت، زمانی که قطب‌های مغناطیسی کار نمی‌کنند (مانند موقعیت تلسکوپ هابل) یا به‌اندازهٔ کافی دقیق نیستند (مثل ICBM) یا برای پایدارسازی ماشین‌های پرنده مثل هلیکوپترهای هدایت‌شونده توسط رادیو یا UAV ها است. به دلیل دقت بالاتر، از ژیروسکوپ‌ها در حفظ جهت در معدن کاری تونل‌ها نیز مورداستفاده قرار می‌گیرد.

برخی حسگر چرخش نما در تلفن‌های همراه را با حسگر شتاب سنج را ممکن است یکسان بدانند اما در حقیقت کار این دو باهم متفاوت است. حسگر شتاب سنج ماهیت الکتریکی دارد اما حسگر چرخش نمابر پایه مکانیک می‌باشد. این حسگر به‌وسیلهٔ چرخش دو حلقه و چگونگی قرارگیری و حرکت آن‌ها قابلیت تشخیص چرخش را ایجاد می‌کند.

ژیروسکوپ برای تعیین شیب، زاویه، خط افق و مواردی از این قبیل نیز مورداستفاده قرار می‌گیرد.

به‌طورکلی ژیروسکوپ سانسور برای اندازه‌گیری زاویه اجسام مختلف نسبت به یک مبدأ است. در حال حاضر جاهای زیادی از سنسور ژیروسکوپ استفاده میشود که عبارتند از:

ثابت نگه‌داشتن اجسام و ماشین‌آلات

امنیت در خودرو

شبیه‌سازی حرکت انسان در ربات

نقشه‌برداری از سطوح مختلف سطح زمین

دستگاه‌های اتو پایلِت در هواپیماها و بالگردها

کنترل و تصحیح زاویه ی حرکت ربات‌های صنعتی

برای حفظ تعادل و کنترل ماشین‌ها و ربات‌ها

از موارد دیگری که ژیروسکوپ مورداستفاده قرار می‌گیرد:
امروزه از ژیروسکوپ‌ها برای موشک‌های بالستیک ایرانی مصرف‌شده است. از سنسور ژیروسکوپ برای به دست آوردن سرعت زاویه‌ای و موقعیت زاویه‌ای استفاده می‌کنیم. نسل جدید ژیروسکوپ‌هایی که در کشورمان تولیدشده‌اند آن‌قدر قابل‌اطمینان هستند که شبیه به آن در موشک‌های قاره‌پیمای ترایانت مجهز به کلاهک هسته‌ای که از زیردریایی‌های آمریکایی پرتاب می‌شوند نیز نصب‌شده است.

ژیروسکوپ را در هواپیما قرار می‌گیرد که با دوران هواپیما چرخ در حال چرخش ژیروسکوپ موقعیت اولیه‌ی خود را حفظ می‌کند و محور دوران آن تغییری نمی‌کند؛ که با محاسبه‌ی انحراف هواپیما از این چرخ می‌توان زاویه و نرخ دوران هواپیما را اندازه‌گیری کرد.
به‌طورکلی ژیروسکوپ یکی از هیجان‌انگیزترین تجهیزات برای علاقه‌مندان به فیزیک است. امروزه ژیروسکوپ‌ها در بخش‌های مختلف صنعتی مورداستفاده قرار می‌گیرند که ازجمله می‌توان به صنایع مخابراتی و نظامی اشاره کرد اما بیشترین استفاده در تلفن‌های هوشمند هر گوشی موبایل دارای مجموعه‌ای از این حسگرهاست و شناخت آن‌ها می‌تواند دیدگاه مناسبی درباره چگونگی عملکرد یک گوشی موبایل در اختیار کاربران قرار دهد. توضیحات پیچیده و تخصصی در عملکرد ژیروسکوپ است که از حوصله بسیاری از خوانندگان خارج هستند.

---