ما هو الجيروسكوب؟
الجيروسكوب أو المدوار هو أداة تتكون من عجلة تدور بسرعة داخل إطار، مصممة لاكتشاف أي انحراف في اتجاه جسم ما عن المسار أو الاتجاه المحدد له. هذه الآلية تسمح بتحديد وتصحيح الانحرافات بشكل فعال.
كيف يعمل الجيروسكوب؟
آلية عمل الجيروسكوب فريدة من نوعها. يتمتع الجهاز بالقدرة على التحرك حول محور الدوران بعدة طرق، أو الحفاظ على توازنه بشكل ملحوظ، أو حتى مقاومة تأثيرات الجاذبية الأرضية من خلال ظاهرة تعرف بالمبادرة. على سبيل المثال، إذا تم تدوير الجيروسكوب حول محور دورانه، فإنه سيدور بزاوية قائمة بالنسبة لمحور القوة، وسيتفاعل مع هذه القوة على طول محور عمودي على القوة المطبقة. عند تطبيق قوة على المحور، سيتحرك الجزء العلوي من الجيروسكوب نحو اليسار بينما يتحرك الجزء السفلي نحو اليمين.
في حالة عدم دوران الجيروسكوب، فإن العجلة ستفقد توازنها. ويعزى ذلك إلى أن أجزاء الجيروسكوب تتأثر بالقوة المطبقة على المحور، وفقًا لما ينص عليه قانون نيوتن الأول
، الذي يشير إلى أن الجسم المتحرك سيظل متحركًا بنفس السرعة وفي خط مستقيم ما لم تؤثر عليه قوة خارجية غير متوازنة. نتيجة لتأثر الجهاز بالقوة، سيستمر الجزء العلوي في التحرك نحو اليسار، ولكنه سيتأثر أيضًا بالدوران الذي يجعله يستدير. وينطبق الأمر نفسه على الجزء السفلي الذي يتحرك نحو اليمين. هذا هو تأثير المبادرة، الذي يمثل تطبيقًا عمليًا لقوانين الفيزياء، حيث تدور أجزاء الجيروسكوب، عند استقبالها للقوى في نقطة مشتركة، باتجاه مواقع مختلفة. يدور القسم في الجزء العلوي من الدوران بمعدل 90 درجة إلى الجانب ويستمر في محاولة التحرك نحو اليسار، تمامًا كالقسم السفلي من الدوران الذي يدور بمعدل 90 درجة إلى الجانب ويستمر في محاولة التحرك نحو اليمين. ينتج عن هذه القوى دوران العجلة باتجاه الحركة الاستباقية، وعندما تستمر النقاط المحددة في الدوران 90 درجة أخرى، ستُلغى في النهاية حركاتها الأصلية.
هذه الظاهرة معقدة ولكنها أساسية لفهم كيفية عمل الجيروسكوب في الحفاظ على الاتجاه والتوازن.
مثال توضيحي: تخيل أنك تمسك بعجلة دراجة تدور بسرعة. حاول إمالة محور العجلة. ستشعر بمقاومة! هذه المقاومة هي نتيجة للزخم الزاوي للعجلة، وهي خاصية أساسية في عمل الجيروسكوب.
مجالات استخدام الجيروسكوب
تستخدم الجيروسكوبات في مجموعة متنوعة من التطبيقات الهندسية والتكنولوجية، بما في ذلك:
- البوصلات: لتحديد الاتجاهات بدقة عالية.
- الطيران الآلي: في السفن والطائرات للحفاظ على المسار وتعديل الاتجاه تلقائيًا.
- توجيه الطوربيدات: لضمان وصول الطوربيدات إلى أهدافها بدقة.
- نظم التوجيه الذاتي: في الفضاء لمركبات الإطلاق، وتدوير الأقمار الصناعية في مدارات مختلفة، وتوجيه الصواريخ الباليستية.
تصنيفات الجيروسكوبات
تتنوع أنواع الجيروسكوبات وفقًا لآلية عملها والتكنولوجيا المستخدمة فيها، ومن أبرزها:
الجيروسكوبات التقليدية
تعتمد الجيروسكوبات الميكانيكية، المعروفة أيضًا بالكلاسيكية، على مبدأ الزخم الزاوي للدوار. يحافظ الدوار على موقعه وحجمه وثباته بشكل ملحوظ حتى عند إمالة مجموعة gimbal. مثال على ذلك عجلة الغزل التي تحافظ على اتجاهها الأصلي في الفضاء على الرغم من دوران الأرض. قام العالم الألماني هيرمان أنشوتز بتطوير البوصلة الجيروسكوبية واستخدمها في الغاطسة. تبع ذلك استخدام الجيروسكوب الميكانيكي في الطيار الآلي لضمان حفاظ الطائرات على مسارها، ومن ثم استخدامه في السفن وفي الأفق الاصطناعي للطائرات.
الجيروسكوبات ذاتية التوجيه
استخدمت الجيروسكوبات ذاتية التوجيه لتصحيح حركة الدوران والانعطاف في الصواريخ الجوالة والصواريخ الباليستية الألمانية المستخدمة في الحرب العالمية الثانية. كما تم تطوير منظار للقنابل (bombsights) ولرادار الهوائيات على السفن، ولمنصات حمل السلاح وغيرها.
الجيروسكوبات الليزرية
تخلو الجيروسكوبات الليزرية تقريبًا من الأجزاء المتحركة، وتستخدم في الصواريخ الداعمة والطائرات التجارية والأقمار الصناعية التي تدور في مدارات. تعتمد هذه الآلات على تقنية سانياك (Sagnac)، نسبة للعالم الفرنسي سانياك. يتم تقسيم شعاع ضوئي يتحرك جزء منه في اتجاه عقارب الساعة وجزء آخر عكس اتجاه عقارب الساعة حول منصة دوارة وينتقلان داخل حلقة مغلقة. تعود الحزمة التي تتحرك باتجاه الدوران إلى نقطة الأصل قليلاً بعد انتقال الحزمة الأخرى التي تدور عكس الدوران. من هنا اكتشف التداخل الهامشي الذي يعتمد بشكل أساسي على معدل دوران القرص الدوار بدقة كبيرة.
