ژیروسکوپ‌ها

در اصطلاح رسمی، ژیروسکوپ یا چرخشنما به هر چرخنده یا چرخه‌ای (rotor) گویند که چنان آویخته شده باشد که تغییر جهت محور چرخش آن در هر جهت امکان‌پذیر باشد؛ هر جسم در حال دوران تمایل آن را دارد که در امتداد معینی ثابت بماند؛ ولی وجود جفت نیرویی که به‌صورت عمود بر محور دوران چرخه تأثیر می‌کند سبب پیدا شدن یک حرکت تقدیمی (Precession) می‌شود که سرعت زاویه‌ای آن با جفت مزبور متناسب است. چرخشنما، از آن جهت که وسیلهٔ شناختن وضع یک جسم متحرک است، جزیی است از دستگاه‌های تثبیت وضع و کشتیرانی جدید است. تاریخ تکامل چرخش‌نماها همان تاریخ تکامل فکر ایجاد یک گشتاور حرکتی متناسبی است که در عین حال با رساندن جفت‌های مزاحم در حرکت به حداقل همراه باشد، تا بهترین وضع برای عمل دستگاه فراهم شود. به همین جهت است که، از چرخش نماهای متعارفی گذشته، مهندسان طرح‌هایی برای چرخش نماهای گوناگونی ریخته‌اند که چرخه‌های آنها یا در مایعی شناور است، یا در تحت تأثیر گاز پر فشار یا میدان‌های مغناطیسی و برقی حالت آویختگی دارد. در پژوهش‌های جدید هسته‌های اتومی را به‌عنوان چرخه به کار می‌برند، و حتی به جای جسم چرخنده از دیاپازون یا دستگاه‌های لاسری استفاده می‌کنند.
من همیشه فریفتهٔ افسون چرخش‌نماها بوده‌ام، در کودکی با شوق تمام به رأس در حال گردش آنها می‌نگریستم که، ظاهراً، علی‌رغم قوانین جاذبه، در هوا می‌ماند؛ بعدها اطلاعاتی را که در فیزیک نظری به دست آوره بودم در آن به کار بستم که از چرخش‌نا در دستگاه‌های هوانوردی و دریانوردی که پس از جنگ جهانی اول فراوان شده بودند استفاده کنم. در این اواخر در چرخش‌نماهائی کار می‌کنم که با نوع قدیمی آنها تفاوت اساسی دارد و در چند دهه اخیر پیدا شده است. اینها با نوع متعارفی چندان شباهتی ندارند؛ تازه‌هایی که این دستگاه‌ها در اسبابی وارد کرده‌اند که یک قرن قدمت دارد، موضوع بحث این مقاله است. با وجود این، پیش از آنکه از چرخش نماهای کمابیش عجیب جدید بحث کنیم، بهتر آن است که توجه خواننده را به چرخش نمای بازیچه‌ای که همگان آن را می‌شناسند جلب کنیم و چند کلمه در آن باره بگوییم.
چرخش‌نمای بازیچه قبل از هر چیز چرخی است که می‌چرخد و به تکیه گاهی مفصل‌دار آویخته است. وقتی که آن را بچرخانند، به جای اینکه در تحت تأثیر جاذبه بر زمین افتد، این چرخ به حالت مایل قرار می‌گیرد و محور آن بر گرد خط قائمی که از تکیه‌گاه آن می‌گذرد، مخروطی رسم می‌کند. (در سه وضع مختلف چرخ) حرکت تقدیمی یا تقدیم نام دارد. اگر سعی کنیم که سرعت طبیعی تقدیم را که نتیجهٔ جاذبه است (مثلاً با راندن کنار چرخ) زیادتر کنیم، محور دوران به خط قائم نزدیکتر می‌شود. برعکس، اگر سرعت تقدیم کم شود، تمایل محور زیادتر می‌شود. در حالت حدی، یعنی با حذف کامل تقدیم، چرخ فرو می‌افتد و گویی چنان است که اثر چرخش‌نمایی یعنی دوران اصلاً وجود ندارد.
عجیب‌تر از آنکه وضع ظاهری چرخش‌نما و نیفتادن آن در حین حرکت نشان می‌دهد، این است که حرکت به ظاهر سادهٔ آن بسیار پیچیده است. امروز فهم حقیقت این حرکت جز با تحلیل ریاضی و شناختن کارهای گرانبهای پیشتازانی چون اویلر و لاگرانژ که قوانین نیروشناسی تحلیلی را طرح‌ریزی کرده‌اند میسر نیست.
بنابر همین تحلیل، برای جسم در حال چرخش بر گرد یک محور کمیتی حاملی به نام گشتاور حرکتی، نقل شدهٔ بر روی محور دوران، تصور می‌کنند که اساس (مودول) آن حاصل‌ضرب گشتاور لختی جسم نسبت به محور دوران است در سرعت زاویه‌ای حرکت آن جسم. در غیاب نیروهای مزاحم و پریشان کننده، گشتاور حرکتی، و بنابر آن امتداد محور دوران، ثابت می‌ماند مثلاً محور زمین متوجه به ستارهٔ قطبی است، چه زمین با وجود نقص‌هایی از قبیل اقیانوس‌ها که دارد، چرخش‌نمای خوبی است. محور چرخش آن از جهت نخستین تنها با سرعت ۰۰۰۰۱/۰ در ساعت دور می‌شود. و این نسبت به چرخش‌نماهای ساخت دست‌آدمیزاد سرعت بسیار ضعیف‌تری است.

منبع : مطالب ارسال شده