गायरोस्कोप

जाइरोस्कोप

जाइरोस्कोप काम कर रहा है, तीनों अक्षों में घूमने की आज़ादी दिखा रहा है। रोटर बाहरी फ्रेम के अभिविन्यास की परवाह किए बिना अपनी स्पिन अक्ष दिशा बनाए रखेगा।

जाइरोस्कोप (प्राचीन ग्रीक γῦρος gŷros, गोल और σκοπέω skopéō, देखने के लिए) एक उपकरण है जिसका उपयोग अभिविन्यास और कोणीय वेग को मापने या बनाए रखने के लिए किया जाता है।^[1]^[2] यह चरखा या डिस्क है जिसमें रोटेशन की धुरी (स्पिन अक्ष) किसी भी अभिविन्यास को मानने के लिए स्वतंत्र है। घूर्णन करते समय, कोणीय गति के संरक्षण के अनुसार, इस धुरी का अभिविन्यास बढ़ते हुए झुकाव या घूर्णन से अप्रभावित रहता है।

अन्य ऑपरेटिंग सिद्धांतों के आधार पर भी जाइरोस्कोप मौजूद हैं, जैसे इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में पाए जाने वाले माइक्रोचिप-पैकेज्ड MEMS (कभी-कभी गियोमीटर कहा जाता है), सॉलिड-स्टेट रिंग लेजर, फाइबर ऑप्टिक जाइरोस्कोप, और अत्यंत संवेदनशील क्वांटम जाइरोस्कोप।^[3]

जाइरोस्कोप के अनुप्रयोगों में निष्क्रिय नेविगेशन प्रणाली, जैसे कि हबल अंतरिक्ष टेलीस्कोप में, या जलमग्न पनडुब्बी के स्टील पोतखोल के अंदर शामिल हैं। उनकी सटीकता के कारण, जाइरोथियोडोलाइट्स में जाइरोस्कोप का उपयोग सुरंग खनन में दिशा बनाए रखने के लिए भी किया जाता है।^[4] जाइरोस्कोप का उपयोग जाइरोकम्पस के निर्माण के लिए किया जा सकता है, जो चुंबकीय कम्पास (जहाजों, विमानों और अंतरिक्ष यान, सामान्य रूप से वाहनों में), स्थिरता में सहायता करने के लिए पूरक या प्रतिस्थापित करने के लिए या निष्क्रिय मार्गदर्शन प्रणाली के हिस्से के रूप में उपयोग किया जा सकता है।

MEMS जाइरोस्कोप कुछ उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स, जैसे स्मार्टफोन में लोकप्रिय हैं।

विवरण और आरेख

जाइरो व्हील का आरेख। आउटपुट अक्ष (नीला) के बारे में प्रतिक्रिया तीर इनपुट अक्ष (हरा) और इसके विपरीत लागू बलों के अनुरूप हैं।

जाइरोस्कोप उपकरण है, जिसमें एक पहिये को अक्ष के आसपास घुमाने की अनुमति देने के लिए दो या तीन छल्लो में लगाया जाता है। तीन छल्लो का एक सेट, ऑर्थोगोन पिवट अक्षों के साथ दूसरे पर लगाया जा सकता है, जिसका उपयोग सबसे आंतरिक छल्ले पर पहिया को अपने समर्थन के स्थान में अभिविन्यास से स्वतंत्र रहने की अनुमति देने के लिए किया जा सकता है।

दो छल्लो के साथ जाइरोस्कोप के केस में, बाहरी छल्ले, जो कि जाइरोस्कोप फ्रेम है, को लगाया जाता है ताकि समर्थन द्वारा निर्धारित अपने विमान में अक्षरेखा में धुरी हो। इस बाहरी छल्ले में एक डिग्री रोटेशनल स्वतंत्रता है और इसकी धुरी में कोई नहीं होता है। दूसरा छल्ला, आंतरिक छल्ला, जाइरोस्कोप फ्रेम (बाहरी छल्ले) में लगाया गया है ताकि अपने स्वयं के विमान में धुरी में केंद्रबिंदु हो जो हमेशा जाइरोस्कोप फ्रेम (बाहरी छल्ले) के प्रमुख अक्ष के लंबवत होता है। इस आंतरिक छल्ले में दो डिग्री रोटेशनल स्वतंत्रता है।

चरखा का अक्ष (रोटर) स्पिन अक्ष को परिभाषित करता है। रोटर अक्ष के बारे में स्पिन करने के लिए विवश है, जो हमेशा आंतरिक छल्ले के अक्ष के लंबवत होता है तो रोटर के पास रोटेशनल स्वतंत्रता की तीन डिग्री है और इसकी धुरी दो है। रोटर इनपुट अक्ष पर प्रतिक्रिया बल द्वारा आउटपुट अक्ष पर लागू बल पर अभिक्रिया देता है।

जाइरोस्कोप के व्यवहार को सबसे आसानी से साइकिल के अगले पहिए पर विचार करके समझा जा सकता है। यदि पहिया ऊर्ध्वाधर से दूर झुक जाता है ताकि पहिया का शीर्ष बाईं ओर चला जाए, तो पहिया का आगे का रिम भी बाईं ओर मुड़ जाता है। दूसरे शब्दों में, घूमने वाले पहिये के अक्ष पर घूर्णन तीसरे अक्ष के घूर्णन का उत्पादन करता है।

जाइरोस्कोप फ्लाईव्हील आउटपुट अक्ष के बारे में रोल या प्रतिरोध इस बात पर निर्भर करता है कि आउटपुट जिंबल्स एक मुक्त या निश्चित विन्यास के हैं या नहीं। कुछ मुक्त-आउटपुट-छल्ले उपकरणों का उदाहरण है, एक अंतरिक्ष यान या विमान में पिच, रोल और मोड़ दृष्टिकोण को समझने या मापने के लिए उपयोग किया जाने वाला जाइरोस्कोप है।

जाइरो व्हील का ऐनिमेशन काम कर रहा है

रोटर के गुरुत्वाकर्षण का केंद्र निश्चित स्थिति में हो सकता है। रोटर एक साथ धुरी के चारों ओर घूमता है और दो अन्य अक्षों के चारों ओर दोलन करने में सक्षम है, और यह निश्चित बिंदु के चारों ओर किसी भी दिशा (रोटर स्पिन के कारण इसके अंतर्निहित प्रतिरोध को छोड़कर) में मुड़ने के लिए स्वतंत्र है। कुछ जाइरोस्कोप में एक या अधिक तत्वों के स्थान पर यांत्रिक समकक्ष होते हैं। उदाहरण के लिए, स्पिनिंग रोटर को छल्ले में माउंट करने के बजाय द्रव में निलंबित किया जा सकता है। नियंत्रण आघुर्ण जाइरोस्कोप (CMG) निश्चित-आउटपुट-छल्ले उपकरण का उदाहरण है जिसका उपयोग अंतरिक्ष यान पर जाइरोस्कोपिक प्रतिरोध बल का उपयोग करके वांछित दृष्टिकोण कोण या दिशा को इंगित करने के लिए किया जाता है।

कुछ विशेष मामलों में, बाहरी छल्ले (या इसके समकक्ष) को छोड़ दिया जा सकता है ताकि रोटर के पास केवल दो डिग्री की स्वतंत्रता हो। अन्य मामलों में, रोटर के गुरुत्वाकर्षण केंद्र को दोलन की धुरी से ऑफसेट किया जा सकता है, और इस प्रकार रोटर के गुरुत्वाकर्षण के केंद्र और रोटर के निलंबन के केंद्र के बीच मेल नहीं हो सकता है।

इतिहास

1852 में लियोन फौकॉल्ट द्वारा गायरोस्कोप डिजाइन किया गया। 1867 में यूनिवर्सल प्रदर्शनी के लिए डुमौलिन-फ्रोमेंट द्वारा निर्मित प्रतिकृति। नेशनल कंज़र्वेटरी ऑफ़ आर्ट्स एंड क्राफ्ट्स, पेरिस।

प्रारंभिक समान उपकरण

अनिवार्य रूप से, जाइरोस्कोप शीर्ष छल्ले की जोड़ी के साथ संयुक्त है। टॉप्स का आविष्कार शास्त्रीय ग्रीस, रोम और चीन सहित कई विभिन्न सभ्यताओं में किया गया था।^[5] इनमें से अधिकांश उपकरणों के रूप में उपयोग नहीं किया गया था।

जाइरोस्कोप के समान पहला ज्ञात उपकरण ("व्हर्लिंग स्पेकुलम" या "सेरसन स्पेकुलम") का आविष्कार 1743 में जॉन सेरसन द्वारा किया गया था। इसे धूमिल या धुंध की स्थिति में क्षितिज का पता लगाने के लिए स्तर के रूप में इस्तेमाल किया गया था।

वास्तविक जाइरोस्कोप की तरह इस्तेमाल किया जाने वाला पहला उपकरण जर्मनी के जोहान बोहनबर्गर द्वारा बनाया गया था, जिन्होंने पहली बार 1817 में इसके बारे में लिखा था। सबसे पहले उन्होंने इसे मशीन कहा था।^[6]^[7]^[8] बोह्नेनबर्गर मशीन घूमते हुए विशाल गोले पर आधारित थी।^[9] 1832 में, अमेरिकी वाल्टर आर जॉनसन ने ऐसा ही उपकरण विकसित किया जो घूर्णन डिस्क पर आधारित था।^[10]^[11] फ्रांस के गणितज्ञ पियरे-साइमन लाप्लास ने, पेरिस में कोले पॉलीटेक्निक में काम करते हुए, शिक्षण सहायता के रूप में उपयोग करने के लिए मशीन की सिफारिश की, और इस प्रकार यह लियोन फौकॉल्ट के ध्यान में आया। ^[12]

फौकॉल्ट जाइरोस्कोप

1852 में, फौकॉल्ट ने इसका प्रयोग पृथ्वी के घूर्णन से जुड़े प्रयोग में किया था।^[13]^[14]

यह फोकौल्ट था जिसने इस उपकरण को अपना आधुनिक नाम दिया, प्रयोग में (ग्रीक स्कोपीइन, देखने के लिए) पृथ्वी के रोटेशन (ग्रीक गाइरोस, सर्कल या रोटेशन),^[15] जो 8 से 10 मिनट में दिखाई दे रहा था, इससे पहले घर्षण ने कताई रोटर को धीमा कर दिया था।

व्यावसायीकरण

1860 के दशक में, बिजली की मोटरों के आगमन ने जाइरोस्कोप को अनिश्चित काल तक घूमना संभव बना दिया; इसने पहले प्रोटोटाइप हेडिंग इंडिकेटर्स और एक अधिक जटिल डिवाइस, जाइरोकोमपास को जन्म दिया। 1904 में जर्मन आविष्कारक हरमन अंसचुट्ज़-केम्फे द्वारा पहले कार्यात्मक gyrocompass का पेटेंट कराया गया था।^[16] अमेरिकी एल्मर स्पेरी ने उस वर्ष बाद में अपने स्वयं के डिजाइन के साथ पीछा किया, और अन्य राष्ट्रों ने जल्द ही आविष्कार के सैन्य महत्व को महसूस किया - एक ऐसे युग में जिसमें नौसैनिक कौशल सैन्य शक्ति का सबसे महत्वपूर्ण उपाय था - और अपने स्वयं के जाइरोस्कोप उद्योगों का निर्माण किया। स्पेरी जाइरोस्कोप कंपनी ने विमान और नौसेना स्टेबलाइजर्स भी प्रदान करने के लिए तेजी से विस्तार किया, और अन्य जाइरोस्कोप डेवलपर्स ने इसका अनुसरण किया।^[17]^{[full citation needed]} 1917 में, इंडियानापोलिस की चांडलर कंपनी ने चैंडलर जाइरोस्कोप बनाया, जो एक पुल स्ट्रिंग और कुरसी के साथ एक खिलौना जाइरोस्कोप था। 1982 में TEDCO Inc. द्वारा कंपनी को खरीदे जाने तक चैंडलर ने खिलौने का उत्पादन जारी रखा। चैंडलर खिलौना आज भी TEDCO द्वारा निर्मित है।^[18] 20वीं शताब्दी के पहले कई दशकों में, अन्य अन्वेषकों ने एक स्थिर प्लेटफॉर्म बनाकर शुरुआती उड़ान रिकॉर्डर नौवहन प्रणालियों के आधार के रूप में जाइरोस्कोप का उपयोग करने का प्रयास (असफल) किया, जिससे सटीक त्वरण मापन किया जा सके (स्टार की आवश्यकता को बायपास करने के लिए) स्थिति की गणना करने के लिए देखा गया)। इसी तरह के सिद्धांतों को बाद में बैलिस्टिक मिसाइलों के लिए जड़त्वीय नेविगेशन प्रणाली के विकास में नियोजित किया गया था।^[19]^{[full citation needed]} द्वितीय विश्व युद्ध के दौरान, जाइरोस्कोप विमान और विमान-विरोधी बंदूक स्थलों के लिए प्रमुख घटक बन गया।^[20] युद्ध के बाद, निर्देशित मिसाइलों और हथियार नेविगेशन प्रणालियों के लिए जाइरोस्कोप को छोटा करने की दौड़ के परिणामस्वरूप तथाकथित मिडगेट जाइरोस्कोप का विकास और निर्माण हुआ, जिसका वजन कम था 3 ounces (85 g) और इसका व्यास लगभग था 1 inch (2.5 cm). इनमें से कुछ छोटे जाइरोस्कोप 10 सेकंड से भी कम समय में 24,000 चक्कर प्रति मिनट की गति तक पहुँच सकते हैं।^[21] जाइरोस्कोप एक इंजीनियरिंग चुनौती बनी हुई है। उदाहरण के लिए, एक्सल बियरिंग्स को बेहद सटीक होना चाहिए। बीयरिंगों में घर्षण की एक छोटी मात्रा जानबूझकर पेश की जाती है, क्योंकि अन्यथा सटीकता से बेहतर है $10^{-7}$ एक इंच (2.5 एनएम) की आवश्यकता होगी।^[22] पोर्टेबल इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों जैसे टैबलेट (कंप्यूटर) में तीन-अक्ष एमईएमएस-आधारित जाइरोस्कोप का भी उपयोग किया जा रहा है।^[23] स्मार्टफोन्स,^[24] और स्मार्ट घड़ी।^[25] यह पिछली पीढ़ी के उपकरणों पर उपलब्ध 3-अक्ष त्वरण संवेदन क्षमता को जोड़ता है। साथ में ये सेंसर 6 घटक गति संवेदन प्रदान करते हैं; एक्स, वाई, और जेड आंदोलन के लिए एक्सेलेरोमीटर, और अंतरिक्ष में रोटेशन की सीमा और दर (रोल, पिच और यव) को मापने के लिए जाइरोस्कोप। कुछ उपकरण^[26]^[27] अतिरिक्त रूप से पृथ्वी के चुंबकीय क्षेत्र के सापेक्ष पूर्ण कोणीय माप प्रदान करने के लिए एक चुंबकत्वमापी शामिल करें। नई वाइब्रेटिंग संरचना जाइरोस्कोप#MEMS जाइरोस्कोप|MEMS-आधारित जड़त्वीय मापन इकाइयां एक एकीकृत सर्किट पैकेज में संवेदन के सभी नौ अक्षों तक को शामिल करती हैं, जो सस्ती और व्यापक रूप से उपलब्ध गति संवेदन प्रदान करती हैं।^[28]

जाइरोस्कोपिक सिद्धांत = सभी कताई वस्तुओं में जाइरोस्कोपिक गुण होते हैं। किसी जाइरोस्कोपिक गति में किसी वस्तु का अनुभव करने वाले मुख्य गुण अक्षीय समानता और पुरस्सरण हैं।

अंतरिक्ष में कठोरता

अंतरिक्ष में कठोरता इस सिद्धांत का वर्णन करती है कि एक जाइरोस्कोप उस तल पर स्थिर स्थिति में रहता है जिसमें वह घूमता है, पृथ्वी के घूर्णन से अप्रभावित रहता है। उदाहरण के लिए, एक बाइक का पहिया। जाइरोस्कोप के शुरुआती रूपों (तब नाम से ज्ञात नहीं) का उपयोग सिद्धांत को प्रदर्शित करने के लिए किया गया था।^[29]^{[full citation needed]} जाइरोस्कोपिक प्रीसेशन टॉर्क से प्रेरित है। कोणीय गति और कोणीय वेग के परिवर्तन की दर के रूप में वर्णित है जो एक ही लागू टोक़ द्वारा उत्पादित किया गया था। यह भौतिक घटना प्रतीत होने वाली असंभव गतिशील घटनाओं में परिणत होती है। उदाहरण के लिए, एक शीर्ष (खिलौना)। इस जाइरोस्कोपिक प्रक्रिया का कई एयरोस्पेस परिस्थितियों में लाभ उठाया जाता है, जैसे कि हवाई जहाज और हेलीकॉप्टर उन्हें वांछित अभिविन्यास में मार्गदर्शन करने में मदद करते हैं।

समकालीन उपयोग

स्टीडिकैम

तेज बाइक चेस के लिए बैकग्राउंड प्लेट्स को फिल्माने के लिए अतिरिक्त स्थिरीकरण के लिए दो जाइरोस्कोप के संयोजन में जेडी की वापसी के फिल्मांकन के दौरान एक steadicam रिग को नियोजित किया गया था। स्टीडिकैम के आविष्कारक गैरेट ब्राउन ने शॉट को संचालित किया, एक रेडवुड फ़ॉरेस्ट के माध्यम से चलते हुए, प्रति सेकंड एक फ्रेम पर कैमरा चला रहा था। जब 24 फ्रेम प्रति सेकंड पर प्रक्षेपित किया गया, तो इसने खतरनाक गति से हवा के माध्यम से उड़ने का आभास दिया।^[30]^[31]

हेडिंग इंडिकेटर

हेडिंग इंडिकेटर या डायरेक्शनल जाइरो में रोटेशन की एक धुरी होती है जो उत्तर की ओर इशारा करते हुए क्षैतिज रूप से सेट होती है। चुंबकीय कंपास के विपरीत, यह उत्तर की तलाश नहीं करता है। उदाहरण के लिए, जब एक हवाई जहाज में इस्तेमाल किया जा रहा है, तो यह धीरे-धीरे उत्तर से दूर चला जाएगा और एक संदर्भ के रूप में एक चुंबकीय कंपास का उपयोग करके समय-समय पर पुन: उन्मुख होने की आवश्यकता होगी।^[32]

जाइरोकोमपास

एक दिशात्मक जाइरो या हेडिंग इंडिकेटर के विपरीत, एक जाइरोकोमपास उत्तर की ओर जाता है। यह अपनी धुरी के बारे में पृथ्वी के घूमने का पता लगाता है और चुंबकीय उत्तर के बजाय सही उत्तर की तलाश करता है। Gyrocompasses में आमतौर पर अचानक आंदोलन से पुन: अंशांकन करते समय ओवरशूट को रोकने के लिए अंतर्निहित भिगोना होता है।

एक्सेलेरोमीटर

किसी वस्तु के त्वरण का निर्धारण करके और समय के साथ एकीकृत करके, वस्तु के वेग की गणना की जा सकती है। फिर से एकीकरण, स्थिति निर्धारित की जा सकती है। सरलतम एक्सेलेरोमीटर एक वजन है जो क्षैतिज रूप से स्थानांतरित करने के लिए स्वतंत्र है, जो वसंत में तनाव को मापने के लिए एक वसंत और एक उपकरण से जुड़ा हुआ है। वजन को पीछे धकेलने और वजन को बढ़ने से रोकने के लिए आवश्यक बल को मापने के लिए एक प्रतिकारी बल की शुरुआत करके इसे बेहतर बनाया जा सकता है। एक अधिक जटिल डिजाइन में एक जाइरोस्कोप होता है जिसमें एक अक्ष पर भार होता है। डिवाइस वजन द्वारा उत्पन्न बल पर प्रतिक्रिया करेगा जब इसे तेज किया जाता है, उस बल को एक वेग उत्पन्न करने के लिए एकीकृत करके।^[33]

विविधता

जाइरोस्टेट

जाइरोस्टैट में विशाल फ्लाईव्हील होता है जो ठोस आवरण में छुपा होता है।^[34]^[35] टेबल पर इसकी गतिविधि, निलंबन या समर्थन के विभिन्न तरीकों के साथ, आंतरिक अदृश्य फ्लाईव्हील के गाइरोस्टेटिक गतिविधि के कारण स्थिर संतुलन के सामान्य नियमों के अजीब परिवर्तन को चित्रित करने के लिए कार्य करता है। पहले जाइरोस्टैट को लॉर्ड केल्विन द्वारा स्पिनिंग कण की गति की अधिक जटिल स्थिति को चित्रित करने के लिए डिज़ाइन किया गया था, जब क्षैतिज समतल पर घूमने के लिए स्वतंत्र होते हैं, जैसे फुटपाथ पर शीर्ष स्पून, या सड़क पर साइकिल। केल्विन ने पदार्थ और ईथर की लोच के यांत्रिक सिद्धांतों को विकसित करने के लिए जाइरोस्टैट्स का भी उपयोग किया।^[36]^{[full citation needed]} लॉर्ड केल्विन के विचारों के आधार पर आधुनिक सातत्य यांत्रिकी में इन मॉडलों की एक किस्म है। वे एक विशिष्ट प्रकार के कोसेराट सिद्धांतों का प्रतिनिधित्व करते हैं (पहली बार यूजीन कोसेराट और फ्रांकोइस कोसेराट द्वारा सुझाया गया), जिसका उपयोग कृत्रिम रूप से बनाई गई स्मार्ट सामग्री के साथ-साथ अन्य जटिल मीडिया के वर्णन के लिए किया जा सकता है। उनमें से, तथाकथित केल्विन माध्यम, में क्वासिमैग्नेटोस्टैटिक्स के सन्निकटन में चुंबकीय संतृप्ति की स्थिति के पास चुंबकीय इन्सुलेटर के समान समीकरण हैं।^[37]

आधुनिक समय में, जाइरोस्टेट अवधारणा का उपयोग अंतरिक्ष यान और उपग्रहों की परिक्रमा के लिए नियंत्रण प्रणाली के डिजाइन में किया जाता है।^[38] उदाहरण के लिए, मीर स्पेस स्टेशन में आंतरिक रूप से माउंटेड फ्लाईव्हील्स के तीन जोड़े थे जिन्हें जाइरोडाइन्स या नियंत्रण क्षण गीरोस के रूप में जाना जाता है।^[39]

भौतिकी में, ऐसी कई प्रणालियां हैं जिनके गतिशील समीकरण जाइरोस्टेट की गति के समीकरणों के समान होते हैं।^[40] उदाहरणों में ठोस आवरण और कैविटी के साथ इनविस्किड, अंसपीड्य, सजातीय तरल,^[41] इलास्टिका सिद्धांत में दबाव इलास्टिका रॉड के स्थिर संतुलन विन्यास,^[42] गैररेखीय माध्यम के माध्यम से प्रचार प्रकाश पल्स की ध्रुवीकरण गतिशीलता,^[43] अराजकता सिद्धांत में लॉरेंज सिस्टम,^[44] और पेनिंग ट्रैप मास स्पेक्ट्रोमीटर में आयन की गति शामिल हैं।^[45]

MEMS जाइरोस्कोप

माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक सिस्टम (MEMS) जाइरोस्कोप छोटा आकार का जाइरोस्कोप है जो इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में पाया जाता है। यह फौकॉल्ट पेंडुलम का प्रत्यय लेता है और कंपन तत्व का उपयोग करता है। इस तरह के जाइरोस्कोप का उपयोग पहले सैन्य अनुप्रयोगों में किया गया था लेकिन बाद में व्यावसायिक उपयोग बढ़ाने के लिए अपनाया गया है।^[46]

HRG

हेमिसफेरिकल रेज़ोनेटर जाइरोस्कोप (HRG), जिसे वाइन-ग्लास गाइरोस्कोप (कॉन्ट्रैक्टरी) या मशरूम गाइरो भी कहा जाता है,^{[contradictory]} पतली ठोस अवस्था के हेमिसफेरिकल शेल का उपयोग करता है, जो अर्धगोलाकार शेल से घिरा होता है। यह शेल इलेक्ट्रोस्टैटिक बलों द्वारा उत्पन्न फ्लेक्सल रेजोनेंस के लिए चला जाता है जो सीधे अलग फ्र्यूज-क्वार्ट्ज़ संरचनाओं पर जमा होते हैं जो शेल को घेरते हैं। जाइरोस्कोपिक प्रभाव फ्लेक्सुरल स्टैंडिंग तरंगों की इनर्शियल गुण से प्राप्त होता है।^{[citation needed]}

VSG or CVG

वाइब्रेटिंग संरचना जाइरोस्कोप (VSG), जिसे कोरिओलिस कंपन जाइरोस्कोप (CVG) भी कहा जाता है,^[47] विभिन्न धातु मिश्र धातुओं से बने रेज़ोनेटर का उपयोग करता है। यह कम अशुद्धि, कम लागत वाले MEMS जाइरोस्कोप और उच्च-अपरिचाई और उच्च लागत वाले फाइबर ऑप्टिक जाइरोस्कोप के बीच स्थिति लेता है। तापमान पर निर्भर बहाव और नियंत्रण संकेतों की अस्थिरता को कम करने के लिए कम-इंटरिन्सिक नम सामग्री, प्रतिध्वनि वैक्यूमलाइजेशन और डिजिटल इलेक्ट्रॉनिक्स का उपयोग करके सटीक मापदंडों को बढ़ाया जाता है।^[48]

HRG जैसे सटीक सेंसर के लिए उच्च गुणवत्ता वाले वाइन-ग्लास रेज़ोनेटर का उपयोग किया जाता है।^[49]

DTG

गतिशील रूप से ट्यून किए गए जाइरोस्कोप (DTG) घूर्णक है जिसे फ्लेक्सचर पिवट के साथ सार्वभौमिक संयुक्त द्वारा निलंबित किया जाता है।^[50] फ्लेक्सचर स्प्रिंग संदृढ़ स्पिन दर से स्वतंत्र है। हालांकि, जिम्बल से गतिशील जड़ता (गायरोस्कोपिक प्रतिक्रिया प्रभाव से) स्पिन गति के वर्ग (हॉवे और सेवेट, 1964; लॉरेंस, 1998) के आनुपातिक ऋणात्मक स्प्रिंग कठोरता प्रदान करती है। इसलिए, विशेष गति पर, जिसे ट्यूनिंग स्पीड कहा जाता है, आदर्श जाइरोस्कोप के लिए आवश्यक शर्त है कि दो क्षण एक दूसरे को रद्द करते हैं, रोटोर को टॉर्क से मुक्त करते हैं।

रिंग लेजर जाइरोस्कोप

रिंग लेजर जाइरोस्कोप दो अलग बीमों में विभाजित बीम के स्थानांतरण हस्तक्षेप पैटर्न को मापने के द्वारा रोटेशन को मापने के लिए सग्नैक प्रभाव पर निर्भर करता है जो विपरीत दिशाओं में रिंग के चारों ओर यात्रा करते हैं।

जब बोइंग 757-200 ने 1983 में सेवा में प्रवेश किया, तो यह पहली उपयुक्त रिंग लेजर जाइरोस्कोप से सुसज्जित था। इस जाइरोस्कोप को विकसित करने में कई साल लग गए और प्रायोगिक मॉडल को हनीवेल और बोइंग के इंजीनियरों और प्रबंधकों द्वारा उत्पादन के लिए तैयार किए जाने से पहले कई बदलावों से गुजरना पड़ा। यह मैकेनिकल जाइरोस्कोप के साथ प्रतिस्पर्धा का परिणाम था, जिसमें सुधार होता रहा। सभी कंपनियों के हनीवेल ने लेजर जाइरो को विकसित करने का फैसला किया था कि वे एकमात्र ऐसा व्यक्ति थे, जिसके पास मैकेनिकल जाइरोस्कोप की सफल श्रृंखला नहीं थी, इसलिए वे खुद के खिलाफ प्रतिस्पर्धा नहीं करेंगे। पहली समस्या जो उन्हें हल करनी थी वह यह थी कि निश्चित न्यूनतम से नीचे लेजर जाइरोस रोटेशन का पता नहीं लगाया जा सकता था, क्लॉक-इन नामक समस्या के कारण, जहां दो बीम युग्मित दोलक की तरह कार्य करते हैं और अभिसरण की ओर एक दूसरे की फ्रीक्वेंसी और शून्य आउटपुट खींचते हैं। समाधान यह था कि जाइरो को तेजी से हिला दिया जाए ताकि वह कभी लॉक-इन में न रहे। विरोधाभासी रूप से, डिथरिंग गति के बहुत नियमित रूप से, जब डिवाइस अपने हिलिंग गति के चरम पर था, तब लॉक-इन की छोटी अवधि के संचय का उत्पादन किया। कंपन के लिए एक यादृच्छिक सफेद शोर लगाने से यह ठीक हो गया। हीलियम रिसाव के कारण ब्लॉक की सामग्री को ओवेन्स कॉर्निंग द्वारा बनाए गए नए ग्लास सिरेमिक सेर-विट में क्वार्ट्ज से भी बदल दिया गया था।^[51]

फाइबर ऑप्टिक जाइरोस्कोप

फाइबर ऑप्टिक जाइरोस्कोप भी यांत्रिक रोटेशन का पता लगाने के लिए प्रकाश के हस्तक्षेप का उपयोग करता है। विभाजित बीम के दो-हिस्से फाइबर ऑप्टिक केबल के कॉयल में 5 किमी तक विपरीत दिशाओं में यात्रा करते हैं। रिंग लेजर जाइरोस्कोप की तरह, यह सग्नाक प्रभाव का उपयोग करता है।^[52]

लंडन मोमेंट

लंदन मोमेंट जाइरोस्कोप क्वांटम-मैकेनिकल घटना पर निर्भर करता है, जिससे स्पिनिंग सुपरकंडक्टर चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न करता है, जिसकी धुरी जाइरोस्कोपिक रोटर के स्पिन अक्ष के साथ बिल्कुल ऊपर की ओर होती है। मैग्नेटोमीटर उत्पन्न क्षेत्र के अभिविन्यास को निर्धारित करता है, जो रोटेशन की धुरी निर्धारित करने के लिए अंतर्वेशित होता है। इस प्रकार के जाइरोस्कोप बेहद सटीक और स्थिर हो सकते हैं। उदाहरण के लिए, गुरुत्वाकर्षण जाँच B में उपयोग किए जाने वाले लोग एक साल की अवधि के दौरान जाइरोस्कोप स्पिन अक्ष अभिविन्यास में बदलाव करते हैं, जो कि एक साल की अवधि के दौरान 0.5 मिलीसेकंड (1.4×10⁻⁷ डिग्री), या लगभग 2.4×10⁻⁹ रेडियन) से बेहतर होता है।^[53] यह 32 kilometers (20 mi) दूर से देखे गए मानव बाल की चौड़ाई के बराबर है।^[54]

GP-B जाइरो में फ्यूज्ड क्वार्ट्ज से बना लगभग पूर्ण गोलाकार घूर्णन द्रव्यमान होता है, जो निओबियम सुपरकंडक्टिंग सामग्री की पतली परत के लिए डाईइलेक्ट्रिक समर्थन प्रदान करता है। सांकेतिक बियरिंग में पाए जाने वाले घर्षण को समाप्त करने के लिए, रोटर असेंबली छह इलेक्ट्रोड से विद्युत क्षेत्र द्वारा केंद्रित है। हीलियम के जेट द्वारा प्रारंभिक स्पिन-अप के बाद, जो रोटर को 4,000 RPM पर लाता है, पॉलिश किए गए जाइरोस्कोप हाउसिंग को अल्ट्रा-हाई वैक्यूम में ले जाया जाता है ताकि रोटर पर गति कम किया जा सके। यदि सस्पेंशन इलेक्ट्रॉनिक्स को संचालित रहे, चरम घूर्णन समरूपता, घर्षण की कमी, और कम ड्रैग से घूर्णक की कोणीय संवेग को लगभग 15,000 वर्षों तक घूमते रहने की अनुमति देगा।^[55]

जाइरोस्कोप की निगरानी के लिए संवेदनशील DC स्क्विड का उपयोग किया जाता है, जो क्वांटम, या लगभग 2×10⁻¹⁵ Wb, जैसे छोटे परिवर्तनों में अंतर कर सकता है। रोटर के अभिविन्यास में प्रक्रमण या झुकाव, लंडन के क्षण चुंबकीय क्षेत्र को आवास के सापेक्ष स्थानांतरित करने का कारण बनता है। मूविंग फील्ड सुपरकंडक्टिंग पिक-अप लूप से गुजरता है जो आवासन के लिए तय होता है, छोटी इलेक्ट्रिक धारा को प्रेरित करता है। धारा शंट प्रतिरोध पर वोल्टेज का उत्पादन करता है, जिसे माइक्रोप्रोसेसर द्वारा गोलाकार निर्देशांक के लिए हल किया जाता है। यह सिस्टम रोटर पर लोरेन्ज टॉर्क को कम करने के लिए डिजाइन किया गया है।^[56]^[57]

अन्य उदाहरण

हेलीकाप्टर

हेलिकॉप्टर का मुख्य रोटर जाइरोस्कोप की तरह काम करता है। इसकी गति जाइरोस्कोपिक प्रीसेशन के सिद्धांत से प्रभावित होती है जो यह अवधारणा है कि स्पिनिंग वस्तु पर लागू बल की लगभग 90 डिग्री बाद में अधिकतम प्रतिक्रिया होगी। प्रतिक्रिया 90 डिग्री से भिन्न हो सकती है जब अन्य शक्तिशाली बल कार्य कर रहे हों।^[58] दिशा बदलने के लिए, हेलीकाप्टरों को पिच कोण और हमले के कोण को समायोजित करना चाहिए।^[59]

गायरो एक्स

1967 में एलेक्स ट्रेमुलिस और थॉमस समर्स द्वारा निर्मित गाइरो एक्स प्रोटोटाइप वाहन, कार ने दो पहियों पर ड्राइव करने के लिए जाइरोस्कोपिक प्रीसेशन का उपयोग किया। वाहन के हुड के नीचे जिम्बल हाउसिंग में लगे चक्का से बनी फिटिंग बड़े जाइरोस्कोप के रूप में काम करती है। फ्लाईव्हील को हाइड्रोलिक पंपों द्वारा घुमाया गया था, जिससे वाहन पर गाइरोस्कोपिक प्रभाव पैदा हुआ। किसी भी वाहन असंतुलन पैदा करने वाले बलों का मुकाबला करने के लिए प्री-प्रोसेशनल बल की दिशा को बदलने के लिए जाइरोस्कोप को घुमाने के लिए एक प्री-प्रोसेशनल रैम जिम्मेदार था। एक प्रकार का प्रोटोटाइप अब नैशविले, टेनेसी में लेन मोटर संग्रहालय में है।^[60]

उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स

Arduino Uno बोर्ड से जुड़ा एक डिजिटल जाइरोस्कोप मॉड्यूल

कम्पास, विमान, कंप्यूटर पॉइंटिंग उपकरण आदि में उपयोग किए जाने के अलावा, जाइरोस्कोप को उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स में पेश किया गया है। उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स में जाइरोस्कोप का पहला उपयोग या अनुप्रयोग एप्पल आईफोन में स्टीव जॉब्स द्वारा लोकप्रिय किया गया था।

चूंकि जाइरोस्कोप अभिविन्यास और रोटेशन की गणना की अनुमति देता है, डिजाइनरों ने उन्हें आधुनिक प्रौद्योगिकी में शामिल किया है। जाइरोस्कोप के एकीकरण ने कई स्मार्टफोन के भीतर पिछले एकल एक्सेलेरोमीटर की तुलना में 3D स्थान के भीतर आवाजाही की अधिक सटीक पहचान की अनुमति दी है। उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स में जाइरोस्कोप को अक्सर अधिक मजबूत दिशा और गति-सेंसिंग के लिए त्वरकों के साथ जोड़ा जाता है। ऐसे अनुप्रयोगों के उदाहरणों में सैमसंग गैलेक्सी नोट 4,^[61] HTC टाइटन,^[62] नेक्सस 5, आई फ़ोन 5s,^[63] नोकिया 808 प्योरव्यू ^[64] और सोनी एक्सपेरिया, प्लेस्टेशन 3 और Wii रिमोट और वर्चुअल रियलिटी सेट जैसे कि ओकुलस रिफ्ट शामिल हैं।^[65]

निंटेंडो ने "Wii मोशनप्लस" नामक हार्डवेयर के एक अतिरिक्त टुकड़े द्वारा Wii कंसोल के Wii रिमोट कंट्रोलर में जाइरोस्कोप को एकीकृत किया है।^[66] यह 3DS, Wii U गेमपैड और निन्टेंडो स्विच जोय-कॉन नियंत्रकों में भी शामिल है, जो मुड़ने और हिलाने पर गति का पता लगाते हैं।

क्रूज जहाज गति-संवेदी उपकरणों जैसे स्व-लेवलिंग पूल टेबल को लेवल करने के लिए जियरोस्कोप का उपयोग करते हैं।^[67]

एक साइकिल व्हील में डाला गया इलेक्ट्रिक संचालित फ्लाईव्हील जाइरोस्कोप प्रशिक्षण पहियों के विकल्प के रूप में बेचा जाता है।^[68] एंड्रॉइड फोन की कुछ विशेषताएं जैसे फोटोस्फीयर या 360 कैमरा और VR गैजेट का उपयोग करने के लिए फोन में एक जाइरोस्कोप सेंसर के बिना काम नहीं करते हैं।^[69]

यह भी देखें

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रियायत

प्रीसेशन का एक साधारण मामला, जिसे स्थिर प्रीसेशन के रूप में भी जाना जाता है, को मोमेंट के निम्नलिखित संबंध द्वारा वर्णित किया जा सकता है:
∑Mx=−I⁢ϕ′2⁢sin⁡θ⁢cos⁡θ+Iz⁢ϕ′⁢sin⁡θ⁢(ϕ′⁢cos⁡θ+ψ′){\displaystyle \sum M_{x}=-I{\phi '}^{2}\sin \theta \cos \theta +I_{z}\phi '\sin \theta (\phi '\cos \theta +\psi ')} कहां ϕ′{\displaystyle \phi '} अग्रगमन का प्रतिनिधित्व करता है, ψ′{\displaystyle \psi '} स्पिन द्वारा दर्शाया गया है, θ{\displaystyle \theta } नटेशन कोण है, और I{\displaystyle I} अपने संबंधित अक्ष के साथ जड़ता का प्रतिनिधित्व करता है। यह संबंध केवल तभी मान्य होता है जब Y और Z अक्षों के अनुदिश क्षण 0 के बराबर हों।
समीकरण को और कम किया जा सकता है यह ध्यान में रखते हुए कि जेड-अक्ष के साथ कोणीय वेग प्रीसेशन और स्पिन के योग के बराबर है: ωz=ϕ′⁢cos⁡θ+ψ′{\displaystyle \omega _{z}=\phi '\cos \theta +\psi '}, कहां ωz{\displaystyle \omega _{z}} z अक्ष के साथ कोणीय वेग का प्रतिनिधित्व करता है।
∑Mx=−I⁢ψ′2⁡sin⁡θ⁢cos⁡θ+Iz⁢ψ′⁡(sin⁡θ)⁢ωz{\displaystyle \sum M_{x}=-I{\psi '}^{2}\sin \theta \cos \theta +I_{z}\psi '(\sin \theta )\omega _{z}} या
∑Mx=ψ′⁢sin⁡θ⁢(Iz⁢ωz−I⁢ψ′⁢cos⁡θ){\displaystyle \sum M_{x}=\psi '\sin \theta (I_{z}\omega _{z}-I\psi '\cos \theta )}<ref>Hibbeler, R.C (2016). इंजीनियरिंग यांत्रिकी: गतिशीलता चौदहवां संस्करण. Hoboken, New Jersey: Pearson Prentice Hall. pp. 627–629.
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संदर्भ

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आगे की पढाई

Felix Klein and Arnold Sommerfeld, "Über die Theorie des Kreisels" (Tr., About the theory of the gyroscope). Leipzig, Berlin, B.G. Teubner, 1898–1914. 4 v. illus. 25 cm.
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One-Wheeled Robot-Gyrostat by Olga Kapustina and Yuri Martynenko Wolfram Demonstrations Project
Apostolyuk V. Theory and Design of Micromechanical Vibratory Gyroscopes

श्रेणी: चक्का श्रेणी:1852 परिचय

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[2] Kabai, Sándor (28 September 2007). "जाइरोस्कोप". Wolfram Demonstrations Project. Wolfram. Archived from the original on 30 April 2008.

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[4] "सुरंगों के बारे में 20 बातें जो आप नहीं जानते". Discover. 29 April 2009. Archived from the original on 15 June 2009.

[5] Range, Shannon K'doah; Mullins, Jennifer. "जाइरोस्कोप का संक्षिप्त इतिहास". Archived from the original on 10 July 2015.

[6] Johann G. F. Bohnenberger (1817) "Beschreibung einer Maschine zur Erläuterung der Gesetze der Umdrehung der Erde um ihre Axe, und der Veränderung der Lage der letzteren" (Description of a machine for the explanation of the laws of rotation of the Earth around its axis, and of the change of the orientation of the latter), Tübinger Blätter für Naturwissenschaften und Arzneikunde Archived 19 July 2011 at the Wayback Machine, vol. 3, pages 72–83.

[7] The French mathematician Poisson mentions Bohnenberger's machine as early as 1813: Simeon-Denis Poisson (1813) "Mémoire sur un cas particulier du mouvement de rotation des corps pesans" [Memoir on a special case of rotational movement of massive bodies], Journal de l'École Polytechnique, vol. 9, pages 247–262. Available online at: Ion.org Archived 19 July 2011 at the Wayback Machine

[8] Wagner, Jörg F.; Trierenberg, Andor (2014), Stein, Erwin (ed.), "The Machine of Bohnenberger", The History of Theoretical, Material and Computational Mechanics – Mathematics Meets Mechanics and Engineering, Lecture Notes in Applied Mathematics and Mechanics (in English), Berlin, Heidelberg: Springer, pp. 81–100, doi:10.1007/978-3-642-39905-3_6, ISBN 978-3-642-39905-3, retrieved 20 February 2021

[9] A photograph of Bohnenberger's instrument is available on-line here: Ion.org Archived 28 September 2007 at the Wayback Machine ION Museum: The Machine of Bohnenberger.

[10] Walter R. Johnson (January 1832). "Description of an apparatus called the rotascope for exhibiting several phenomena and illustrating certain laws of rotary motion" Archived 19 August 2016 at the Wayback Machine, The American Journal of Science and Art, 1st series, vol. 21, no. 2, pages 265–280.

[11] Drawings of Walter R. Johnson's gyroscope ("rotascope") were used to illustrate phenomena in the following lecture: E.S. Snell (1856) "On planetary disturbances," Archived 19 August 2016 at the Wayback Machine Board of Regents, Tenth Annual Report of the Board of Regents of the Smithsonian Institution.... (Washington, D.C.: Cornelius Wendell, 1856), pages 175–190.

[12] "आईओएन संग्रहालय: बोहेनबर्गर की मशीन". Archived from the original on 28 September 2007. Retrieved 24 May 2007.

[13] L. Foucault (1852) "Sur les phénomènes d’orientation des corps tournants entraînés par un axe fixe à la surface de la terre – Nouveaux signes sensibles du mouvement diurne" (On the phenomena of the orientation of rotating bodies carried along by an axis fixed to the surface of the earth – New perceptible signs of the daily movement), Comptes rendus hebdomadaires des séances de l’Académie des Sciences (Paris), vol. 35, pages 424–427. Available on-line (in French): Gallica.bnf.fr Archived 16 July 2012 at the Wayback Machine

[14] Circa 1852, Friedrich Fessel, a German mechanic and former secondary school teacher, independently developed a gyroscope. See: (1) Julius Plücker (September 1853) "Über die Fessel'sche rotationsmachine", Annalen der Physik, vol. 166, no. 9, pages 174–177; (2) Julius Plücker (October 1853) "Noch ein wort über die Fessel'sche rotationsmachine", Annalen der Physik, vol. 166, no. 10, pages 348–351; (3) Charles Wheatstone (1864) "On Fessel's gyroscope" Archived 19 August 2016 at the Wayback Machine, Proceedings of the Royal Society of London, vol. 7, pages 43–48.

[15] *Foucault, Léon (1852b). Mécanique: Sur les phénomènes d'orientation des corps tournants entraînés par un axe fixe à la surface de la Terre. Nouveaux signes sensibles du mouvement diurne. p. 427. {{cite book}}: |journal= ignored (help)

[16] Hermann Anschütz-Kaempfe and Friedrich von Schirach, "Kreiselapparat" (Gyroscope) Deutsches Reichspatent no. 182855 (filed: 27 March 1904 ; issued: 2 April 1907).

[17] MacKenzie, Donald. Inventing Accuracy: A Historical Sociology of Nuclear Missile Guidance. Cambridge: MIT Press, 1990. pp. 31–40. ISBN 0-262-13258-3

[18] Anon. "TEDCO खिलौने - कूल कंपनी इतिहास, महान विज्ञान किट". TEDCO Toys company website. O'Reilly Media Inc. Archived from the original on 9 March 2009. Retrieved 23 December 2010.

[19] MacKenzie, Donald. Inventing Accuracy: A Historical Sociology of Nuclear Missile Guidance. Cambridge: MIT Press, 1990. pp. 40–42. ISBN 0-262-13258-3

[20] The Little Top That Aims a Gun Archived 10 July 2011 at the Wayback Machine by Gold Sanders, Popular Science, July 1945

[21] Magazines, Hearst (1 March 1954). "लोकप्रिय यांत्रिकी". Hearst Magazines. Archived from the original on 2 February 2017.

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रियायत

Main article: Axial precession

प्रीसेशन का एक साधारण मामला, जिसे स्थिर प्रीसेशन के रूप में भी जाना जाता है, को मोमेंट के निम्नलिखित संबंध द्वारा वर्णित किया जा सकता है:
$\sum M_{x}=-I{\phi '}^{2}\sin \theta \cos \theta +I_{z}\phi '\sin \theta (\phi '\cos \theta +\psi ')$ कहां $\phi '$ अग्रगमन का प्रतिनिधित्व करता है, $\psi '$ स्पिन द्वारा दर्शाया गया है, $\theta$ नटेशन कोण है, और $I$ अपने संबंधित अक्ष के साथ जड़ता का प्रतिनिधित्व करता है। यह संबंध केवल तभी मान्य होता है जब Y और Z अक्षों के अनुदिश क्षण 0 के बराबर हों।
समीकरण को और कम किया जा सकता है यह ध्यान में रखते हुए कि जेड-अक्ष के साथ कोणीय वेग प्रीसेशन और स्पिन के योग के बराबर है: $\omega _{z}=\phi '\cos \theta +\psi '$ , कहां $\omega _{z}$ z अक्ष के साथ कोणीय वेग का प्रतिनिधित्व करता है।
$\sum M_{x}=-I{\psi '}^{2}\sin \theta \cos \theta +I_{z}\psi '(\sin \theta )\omega _{z}$ या
$\sum M_{x}=\psi '\sin \theta (I_{z}\omega _{z}-I\psi '\cos \theta )$ <ref>Hibbeler, R.C (2016). इंजीनियरिंग यांत्रिकी: गतिशीलता चौदहवां संस्करण. Hoboken, New Jersey: Pearson Prentice Hall. pp. 627–629.

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