نبذة تعريفية عن جهاز “الجيروسكوب” وآلية عمله

2011 تجارب علمية القوة والحركة

غريس ودفورد

مؤسسة الكويت للتقدم العلمي

جهاز الجيروسكوب آلية عمل جهاز الجيروسكوب الفيزياء

إن العالم من حولنا مليء بأجسام دوارة كالعجلات ومحركات الدفع المروحية ودمية بلبل الأطفال، بل إن الأرض نفسها تدور.

ستصنع في هذا النشاط جيروسكوباً (وهو جهاز لحفظ الاتجاه والتوازن) كي تدرس كيفية تأثير القوة على الأجسام التي تدور.

تتميز الأجسام المتحركة بخاصية استمرار الحركة بالسرعة والاتجاه نفسيهما، وتسمى هذه الخاصية "الزخم الخطي" (كمية الحركة الخطية).

 

تصوّر نفسك وأنت تقوم بدفع عربة التسوق. ما إن تتحرك العربة حتى يصبح من السهل دفعها، لكنك إذا أردت تحريكها نحو اليمين أو اليسار، لا بدّ من توقيفها ثم إعادة دفعها بالاتجاه الجديد. إن العربة تميل إلى الحركة بخط مستقيم، أي إنها تملك خاصة الزخم الخطي (أو الطولاني).

تصور الآن لو أنك قمت بملء العربة بمشتريات ثقيلة. سيصبح من الصعب إيقاف العربة أو إدارتها بسبب ثقل وزنها وكبر زخم حركتها الخطية.

 

إذا قمت بدفع مقبض عربة التسوق إلى أحد الجوانب فإن العربة ستبدأ بالدوران بدلاً من أن تستمر في الحركة باتجاه الأمام، ويُطلق على خاصة ميل جسم كهذا بالدوران بالزخم الزوايّ.

إن أي جسم في وضعية الدوران سيستمر دورانه بمعدل ثابت إلى أن تعمل بعض أشكال القوة، كالاحتكاك مثلاً، على إبطاء دورانه وإيقافه.

 

يظل بلبل الأطفال منتصباً بسبب الزخم الزاويّ الذي تحدثنا عنه، حيث تعمل هذه الخاصية على إبقاء البلبل على وضعه بصورة ثابتة، مقاوماً لقوة الجاذبية، وما إن يفقد البلبل الزخم حتى يبدأ في التمايل ثم السقوط.

ويعتبر عامل الاحتكاك القوة الرئيسة التي توقف البلبل عن الاستمرار في الدوران، حيث يحتك الجزء السفلي من البلبل بالأرض أثناء دورانه.

والجيروسكوب هو عبارة عن بلبل دوّار معقد، يتألف من عجلة دوّارة داخل مجموعة  من حلقات معدنية تسمى المحور (انظر الصفحة 20) والتي تسمح للعجلة بالتوجه بحرية في أي اتجاه.

 

وهذا الجهاز، الذي يشبه البلبل، يحتوي على زخم زاويّ يُمكنّه من مقاومة أي محاولة لتغيير اتجاه دورانه. وتستطيع أن تضع الجيروسكوب الدوار على رأس إصبعك وتشاهد كيف يتوازن توازناً تاماً، حيث يظل منتصباً بسبب الزخم الزاويّ.

وإذا حاولت أن تدفع الجيروسكوب لتقلبه أرضاً سيعود بزوايا قائمة من الاتجاه الذي دفعته نحوه، لأن الزخم الزاويّ يحاول أن يبقيه في وضع ثابت. ويُطلق على هذه الحركة الجانبية "الحركة البدارية" (الحركة التي ترسم شكلاً مخروطياً حول المحور العمودي).

 

ويمكن أن يدور محور الجيروسكوب على شكل دوائر صغيرة بسبب الحركة البدارية التي تولدّها قوة الجاذبية.

وستحوّل نفسك في النشاط التالي إلى جيروسكوب بشري، وستؤدي عجلة الدراجة الهوائية دور الجزء المغزلي (الدوّار) من الجيروسكوب، بينما يصبح جسمك المحور عندما تجلس على الكرسي الدوّار.

 

ركوب متمايل

تعتمد الدراجات الهوائية على الزخم الزاويّ للمحافظة على انتصابها. ومن الصعب جداً أن نحافظ على توازننا إذا لم تكن الدراجة في حالة حركة – بإمكانك التأكد من ذلك من خلال التجربة.

غير أنه ما إن تنطلق الدراجة حتى تبدأ عجلاتها بالمحافظة على توازنها كما يعمل الجيروسكوب. وكلما زادت سرعة الدراجة وكانت عجلاتها أكبر وأثقل كان استقرارها أكثر ثباتاً. ولهذا السبب كانت عجلات الدراجات القديمة أكبر حجماً.

تتميز دراجات السباق الحديثة بعجلاتها الرفيعة وهيكلها الخفيف. ولا تحتاج مثل هذه الدراجات الهوائية سوى القليل من الجهد والطاقة لجعل العجلات تدور بشكل سريع، حيث تعمل عضلات راكبها على دفعها نحو الأمام.

 

وتحتوي عجلات الدراجات الهوائية أيضاً على مسند كرات (كرات معدنية صغيرة تساعد على سهولة حركة الآلة) توضع داخل محورها كي تمنع الاحتكاك بين العجلة أثناء دورانها وبقية أجزاء الدراجة.

وتقوم هذه الكرات الحاملة بمساعدة العجلة على الدوران بصورة أسرع، ما يمنحها زخماً دورانياً أكبر عندما يقوم راكبها بدفعها نحو الأمام.

يقود راكب الدراجة في الصورة إلى اليسار دراجة صغيرة ذات عجلة واحدة ويحاول المحافظة على انتصابها من خلال التوازن وإبقاء العجلة في حالة حركة مستمرة، بصرف النظر عن قصر المسافة التي تتحرك عبرها.

 

أقمار اصطناعية دوّارة

توضع بعض الأقمار الاصطناعية عن قصد في وضع الدوران كي تحافظ على استقرارها.

ويساعد هذا الدوران الذي يشبه دوران جيروسكوب كبير الحجم على تجنب انحراف تلك الأقمار عن الطريق الذي تسلكه في مدارها حول الأرض، كما يجب أن تحافظ الأقمار الاصطناعية التي تبث المكالمات الهاتفية حول العالم على المكان نفسه المخصص لها بشكل دقيق.

وتحتوي هذه الأقمار على أقراص دوّارة تُسمى عجلات الدفع. وتعمل هذه الأقراص على ضبط موقع القمر الاصطناعي. وإن إبطاء أو تسريع حركة عجلة الدفع تجعل القمر الاصطناعي يدور ببطء ملحوظ.

 

الطيار الآلي

يساعد الجيروسكوب الطيارين على التحليق لمسافات طويلة. وكل طائرة مجهزة بطيار آلي يساعدها على الطيران بشكل مستقيم ومستوٍ في المسار الذي يحدده الطيار.

ويوجد في مركز الطيار الآلي جيروسكوب يدور بسرعة فائقة، حيث يُشير دائماً نحو الاتجاه المرسوم ذاته. وإذا ما انحرفت الطائرة عن مسارها يكتشف الجيروسكوب هذه الحركة، ثم يقوم الطيار الآلي بإعادة الطائرة إلى مسارها الصحيح من دون أن يبذل ربّان الطائرة أي جهد من جانبه.

[KSAGRelatedArticles] [ASPDRelatedArticles]