גירוסקופ

גירוסקופ או ג'יירוסקופ (על פי האקדמיה ללשון העברית גם סביבון^[1]; מכונה לעיתים בקיצור ג'יירו; באנגלית: Gyroscope; מיוונית: γῦρος ("גירוֹס") – עגול, σκοπέω ("סקופאו") – לראות) הוא מכשיר המשמש למדידה או שמירה על אוריינטציה גאומטרית (אנ') ומהירות זוויתית. זהו גלגל או דיסק מסתובב שבו ציר הסיבוב חופשי לקבל כל כיוון בעצמו. בעת סיבוב, הכיוון של ציר זה אינו מושפע מהטיה או סיבוב של ההרכבה, בזכות עקרון השימור של תנע זוויתי.

ג'יירוסקופ משמש כמכשיר מדעי למדידת מהירות זוויתית, שינוי זוויתי וכן לשם שמירה של יציבות זוויתית. בפיזיקה הדבר מכונה גם "אינרציה גירוסקופית". השימושים הנפוצים של מכשיר זה הוא שמירה על אופק קבוע, ללא קשר לתנועה עצמית (לדוגמה במצלמות, אוניות וכלי רכב), וכן למדידת זוויות הגוף ביחס למערכת צירים של כדור הארץ (לדוגמה, האופק המלאכותי במטוס). השם ג'יירוסקופ הומצא על ידי הפיזיקאי הצרפתי לאון פוקו ב-1852.

הגירוסקופ המכני

הגירוסקופ מורכב מגלגל (מכונה גם רוטור) המסתובב על ציר סיבוב העובר במרכזו. הציר נשען על ציר אנכי קבוע. כאשר מקנים לגלגל מהירות זוויתית הגלגל אינו נופל אלא ממשיך להסתובב, כאשר ציר הסיבוב שלו מתחיל לנוע בעצמו ביחס לציר הקבוע.

כשציר הרוטור מסתובב, הוא מתנגד לכל שינוי בכיוון הסיבוב שלו, תכונה הנובעת משימור תנע זוויתי (או מומנט זוויתי). אם מנסים לשנות את כיוון הסיבוב של הציר, הוא מתנגד לכך עם מומנט משלו בזווית בת 90 מעלות לכוח שמופעל עליו. ההתנגדות של ציר הגירוסקופ המסתובב לשינוי בכיוון הסיבוב נקראת גם אינרצית הגירוסקופ.

עקרון פעולה

על פי חוקי ניוטון, לכל מסה ישנה תכונה לשמור על מצבה הקודם. לדוגמה, אם אנו מעוניינים להזיז גוף מסוים ממקומו, יש להפעיל עליו כוח ראשוני כדי שישנה את מצבו. באופן דומה על מנת לעצור גוף נע, יש להפעיל עליו כוח בכיוון הנגדי, כדוגמת כוח החיכוך אחרת הגוף ימשיך לנוע באינרציה ללא עצירה.

חוג פתוח - מד שינוי זוויתי

גירוסקופ הוא בעצם דיסקה המסתובבת על פני מסגרת כמעט חסרת חיכוך. הדיסקית מסתובבת ללא שינוי כיוון הסיבוב שלה, עם או נגד כיוון השעון. על מנת לשנות את זווית ציר הסיבוב של הדיסקה צריך להפעיל מומנט.

לשם המחשה, נניח כי אנו מחזיקים גירוסקופ במטוס, והמטוס סוטה בפתאומיות. על פניו, נראה כי הדיסקית אמורה לשנות את הזווית שלה יחסית לכדור הארץ, כיוון שהמטוס שינה את הזווית שלו יחסית לכדור הארץ. היות שהדיסקית המסתובבת נעה על פני מסגרת חלקה, ההתנגדות של הדיסקית לשינוי מצבה תגרום לכך שהיא תחליק על פני המסגרת. כלומר, הדיסקית נשארת באותה זווית, בעוד שהמסגרת שעוטפת את הדיסקית משנה את מצבה בהתאם לתנועת הגוף. במצב זה המדידה תהיה השינוי הזוויתי ביחס למצב התחלתי ידוע.

אם נחבר מחוגה בין הדיסקית לבין המסגרת, המחוגה תמדוד את הזווית שבה הגוף נמצא. זווית זו יכולה להיות מבוטאת בתצוגה על לוח מחוונים, או לגרום לשינוי אוטומטי בהתאם לדרישת המתכננים בכוונון תנועת משטחים כגון מדפים, כנפיים ולהבים.

חוג סגור - מד מהירות זוויתית (סביבון נגזרת)

ישנה אפשרות לקבע את הדיסקה המסתובבת בציר אחד, במקרה כזה תגובת הדיסקה תיצר תנועה זוויתית ניצבת לציר הנמדד ולציר הסיבוב של הדיסקה. יופעל מומנט חיצוני על מנת להחזיר את הדיסקה למקומה, עוצמת המומנט היא פונקציה של המהירות הזוויתית שהופעלה על הסביבון.^[2]

סוגי גירוסקופים נוספים

מלבד הגירוסקופ המכני שתואר מעלה ישנם סוגי גירוסקופים נוספים:

FOG – גירוסקופ סיב אופטי, חיישן זה משתמש באפקט סניאק כדי למדוד סיבוב על ידי מדידת הפרש הפאזה בין שתי קרני אור הנעות בכיוונים מנוגדים על גבי סיב אופטי מלופף.
RLG – גירוסקופ טבעת לייזר, חיישן זה משתמש גם הוא באפקט סניאק כדי למדוד סיבוב על ידי מדידת הפרש הפאזה בין שתי קרני אור הסובבות בכוונים מנוגדים בתוך טבעת לייזר.
CVG מטכנולוגית MEMS – חיישן גירוסקופ מסוג מכונה מיקרואלקטרית הפועל ברעיון הדומה למטוטלת פוקו המשתמש באלמנט רוטט מיקרומכני. חיישן זה מודד מהירות זוויתית ולכן יכול לחוות תופעה הנקראת סחיפה אם משתמשים בו לצורך חישוב סיבוב במרחב כתוצאה משגיאות חישוביות ורעשים באינטגרציה.
HRG – גירוסקופ על בסיס עקרון של גלים אקוסטיים.

יישומים

בפלטפורמות נעות:
- מטוס, צוללת, טיל וחללית – מדידת המהירות הזוויתית של המערכת לצורך ניווט והנחיה.
- טנק – לשמירת את קנה התותח בקו קבוע יחסית לאופק בזמן שהטנק נוסע ובכך לאפשר ירי גם כאשר הטנק נוסע.
- רכינוע ("segway") – מאפשר מדידת הזווית ואיזון הנהג.
מד אופק – בשילוב עם מד תאוצה, משמש את הטייס לזיהוי מישור הטיסה.
מייצבי תמונה במצלמות מודרניות – זיהוי רעידות של המצלמה והסטת העדשה או החיישן על מנת לפצות על הרעד, וכך למנוע את הטשטוש שייווצר בזמני חשיפה ארוכים.
טלפונים חכמים ובמחשבי לוח – משמש לקביעת אוריינטציית המכשיר במרחב בעיקר במשחקים וביישומי מציאות מדומה ומציאות רבודה.
בקרי משחק – חיישן זה משמש כרכיב מרכזי בבקרי משחק מבוססי תנועה ואף בכמה בקרים קלאסיים (החל מבקר ה-PlayStation 3), כך לדוגמה תוסף ה-MotionPlus לקונסולת המשחקים Wii של חברת נינטנדו, משתמש בחיישן גירוסקופ כדי להוסיף לשלט הרגיל של ה-Wii מד סיבוב, תכונה זו מאפשרת לזהות את התנועות המבוצעות בזמן אמת ולהמירן לפעולה במשחק ב-Wii. במוצרים זעירים כאלו משתמשים לרוב בגירוסקופ MEMS בשל היותם קטנים וזולים.

פעלולני אופנועים משתמשים בבסיסי הגירוסקופ על מנת, בין השאר, להרים גלגל ולהסתובב על ציר הגלגל האחר.

ראו גם

לקריאה נוספת

Gray, Andrew, "A treatise on gyrostatics and rotational motion, theory and applications", Dover Publications, New York (1959)
Deimel, Richard F., "Mechanics of the gyroscope: The dynamics of rotation", Dover Publications, New York (1950)
Arnold, R.N., Maunder, L., "Gyrodynamics and its engineering applications", Academic Press, London (1961).
Anthony Lawrence, Modern Inertial Technology, 2dn Edition