Gyroscoop: hoe werkt het?

Wat is een gyroscoop?

Een gyroscoop is een instrument dat dient om de oriëntatie en de hoeksnelheid van een object te handhaven of te behouden. Hiervoor maakt het gebruik van het principe van behoud van de oriëntatie van het impulsmoment. Dankzij een vrij draaiende schijf kan de gyroscoop alle mogelijke oriëntaties aannemen, terwijl de draaias onveranderlijk blijft.

Wanneer de draaischijf van een gyroscoop draait, blijft de rotatieas van het instrument namelijk stabiel, zelfs op een schuine ondergrond. Naarmate de schijf aan snelheid wint, neemt ook het impulsmoment toe, waardoor de gyroscoop en het voorwerp waarin deze is ondergebracht, worden gestabiliseerd.

De precessiebeweging

Als er tijdens de rotatie een kracht op de as wordt uitgeoefend, raakt de gyroscoop uit evenwicht. De as beweegt langzamer en volgt daarbij een conische beweging die precessiebeweging wordt genoemd. De gyroscoop blijft draaien, maar valt niet om.

De gyroscoop en de kinetische beweging

In de klassieke natuurkunde en mechanica zijn de gyroscoop en de kinetische beweging onlosmakelijk met elkaar verbonden. Terwijl de eerste een mechanisme is om rotatie en hoekpositie te meten, is de andere een vectorgrootheid die wordt gebruikt om diezelfde rotatie te behouden. Ontdek hier alles wat u moet weten over de gyroscoop en het kinetisch moment.

Het kinetisch moment

Het kinetisch moment, ook wel hoekmoment genoemd, is een vectorgrootheid die dezelfde richting en dezelfde zin heeft als de hoeksnelheid. Om dit mogelijk te maken, moet de rotatieas van het object tevens zijn symmetrieas zijn.

Van een materieel punt M tot een punt O is het impulsmoment gelijk aan het moment van de impuls ten opzichte van punt O, aldus Wikipedia. Wanneer het impulsmoment niet verandert, blijft de rotatieas stabiel. Dit is het behoud van het impulsmoment of het gyroscopisch effect.

Het gyroscopisch effect

Om dit mechanisme concreet te begrijpen, neem je een fietswiel. Houd het met gestrekte arm vast bij de moeren van de naaf. Vraag iemand om het wiel snel rond te draaien. Als je probeert naar het draaiende wiel te leunen, zul je weerstand voelen. Dit is het behoud van het draaimoment dat deze beweging tegenwerkt. Het is het gyroscopisch effect dat ervoor zorgt dat dit wiel in evenwicht blijft. Het is belangrijk op te merken dat het gyroscopisch effect toeneemt met de draaisnelheid.

Geschiedenis van de gyroscoop

De eerste drieassige gyroscoop werd in 1852 uitgevonden door Léon Foucault. Hij staat bekend als de uitvinder van de slinger van Foucault. Tijdens een experiment met betrekking tot de rotatie van de aarde merkte Foucault op dat zijn slinger langzaam draaide in vergelijking met de rotatie van de aarde. Dit experiment bracht hem ertoe een instrument te ontwerpen dat in staat was om gedurende een vrij lange tijd snel te blijven draaien. Samen met zijn medewerker Forment creëerde hij de gyroscoop. Hij merkte ook op dat dit nieuwe instrument in staat was om het noorden aan te geven en zich uit te lijnen op de meridiaan. Hij noemde het de gyroscopische kompas.

Vanaf het einde van de 19e eeuw verschenen de eerste gemotoriseerde gyroscopen. Gyrokompassen worden voortaan gebruikt om het geografische noorden aan te geven en niet langer het magnetische noorden. Ze vervingen ook de kompassen op schepen. Vanaf de 20e eeuw werden gyrokompassen ingezet in militaire uitrusting.

Tegenwoordig worden gyroscopen ook gebruikt om de stabiliteit van elektronische apparaten te waarborgen. Ze zijn tegenwoordig te vinden in horloges, maar ook in smartphones, waar ze de vorm aannemen van elektromechanische inertiële microsystemen.

De onderdelen van een gyroscoop

Een mechanische gyroscoop bestaat hoofdzakelijk uit de volgende onderdelen:

• Een roterende schijf in het midden. In het midden van deze schijf bevindt zich het zwaartepunt van de gyroscoop; zonder dit kan het instrument niet functioneren.
• Een rotatieas die door het midden van de schijf loopt en in willekeurige richting wijst.
• Drie kardanische ophangingen (een draaibare ophanging waarmee een voorwerp om één enkele as kan draaien) die zorgen voor een drieassige gyroscoop:

1. Een eerste die met kogelgelagers aan de as is bevestigd.
2. Een tweede is bevestigd aan de binnenste as
3. Een derde is bevestigd aan het buitenframe

Toepassingen van de gyroscoop

De gyroscoop wordt tegenwoordig niet alleen in de natuurkunde gebruikt, maar ook in tal van andere sectoren (industrie, luchtvaart, olie-industrie, enz.). Hij wordt gebruikt in:

• De besturing van torpedo’s en raketten
• De coördinatie of aanduiding van bochten in een vliegtuig
• De productie van bepaalde antistressartikelen zoals tollen, jojo’s, vortecons of spinners
• Het stabiliseren van camera’s tijdens het vastleggen van een bewegend object
• Het bouwen van motorfietsen, fietsen of tweewielers die in evenwicht blijven
• De bouw van radiografisch bestuurbare helikopters, en nog veel meer

Dit instrument wordt overigens ook gebruikt in ruimtestations, aan boord van de Hubble-ruimtetelescoop en op diverse andere gebieden die voorbehouden zijn aan deskundigen op het gebied van de natuurkunde.