Gyroskop

Et gyroskop (kortform: en gyro) er en enkel innretning som demonstrerer prinsippet om bevaring av bevegelsesmengde (inerti) innenfor fysikken. Den består av et balansert, masserikt og rundt hjul som er festet på en aksling som igjen er festet med to dreielagre i en ytre ramme. Når hjulet roterer hurtig har det blitt tilført relativt mye energi. Med systemet (altså rammen med lagrene) holdt i ro oppstår bare svært svake krefter mellom rammen og dens fester (bordplate, et fingerpar etc). Disse små kreftene stammer hovedsakelig fra lagerfriksjon, luftmotstand mot rotasjonen, samt jordrotasjonen. Hvis akslingens vinkel i rommet forandres med makt vil imidlertid rotasjonsenergien utløse krefter av en helt annen størrelsesorden enn nettopp nevnt. Kreftene motsetter seg imidlertid denne vinkelforandringen på en ikke helt intuitiv måte: Kraften oppstår i rett vinkel til romvinkelens endring. Kraftens styrke er proporsjonal til størrelsen til vinkelendringen og rotasjonshastigheten.

Gyroskopisk presesjonsbevegelse

Foucaults gyroskop fra 1852

Gyroskopet er også et leketøy der rotasjonen tilføres ved å trekke ut en på akslingen oppviklet snor, med stor kraft.

Ved presesjonsbevegelse som på illustrasjonen bidrar den kontinuerlige vinkelendringen av aksen til den kraften som holder systemet skrått, men likevel balansert mot tyngdekraften. Det er ikke lett å forstå alle krefter som er i spill her, men de utgår fra inertiens lover; hele systemets energi er konstant (bortsett fra friksjonens virkning over lang tid).

Bruk og historie

Gyroskopet ble oppfunnet av Johann Gottlieb Friedrich von Bohnenberger i 1817 og navngitt av Jean Bernard Léon Foucault i 1852.

Et gyroskop kan brukes til å holde fast et legeme i en bestemt orientering.

I flere skytevåpen er et heliksformet spor frest inn i løpet. Dette tvinger prosjektilet til å rotere hurtig om sin egen akse inni løpet og på sin ferd etterpå. De gyroskopiske kreftene holder prosjektilets retning langt mere stabil i banen enn uten rotasjonen. Betegnelsen rifle stammer fra helikssporet i løpet.

Gyroeefekten utnyttes også ved tennis, bordtennis og ballkast i amerikansk fotball.

Ved Norsk Teknisk Museum og flere vitensentere, som Vitensenteret i Trondheim og VilVite i Bergen, blir gyroeffekten illustrert med et hjul som har håndtak montert på lagrene. Den som holder i håndtakene når hjulet dreier vil kjenne at det er tungt å endre akseretningen. Reaksjonskraften fra en slik retningsendring vil som nevnt ikke skje mot endringsretingen, men 90 grader på den. Et løst, dreiende sykkelhjul holdt fast i akslingen med hendene vil oppvise tilsvarende krefter ved retningsendring. Likevel er gyroskopkreftene ikke del av en sykkels kjørestabilitet.

Gyrokompass

Et gyrokompass er i prinsippet ikke forskjellig fra et vanlig gyroskop. Likevel er det tilføyd raffinerte tekniske løsninger for optimalisering for formålet: Lagrene har svært liten friksjon og rotoren med indre opphengning/lagre er plassert i vacuum. Rotoren er drevet av en elektrisk motor for kontinuerlig rotasjon og omdreiningstallet er meget høyt for å oppnå solide krefter ved retningsendring. Gyroskopet er så opphengt i ytre lagre og bøyler slik at rotoren fritt kan peke i alle himmelsretninger. Disse ytre lagrene er gitt noe viskøs friksjon som forbruker litt energi ved orienteringsendringer.

Når gyrokompasset er kommet i gang tar det ikke så lang tid før rotasjonsaksen stiller seg nøyaktig i nord-syd-retning. Det er den eneste retningen som ikke fører til vinkelendringer i løpet av døgnet. Andre retninger vil medføre vinkelendringer på grunn av jordrotasjonen og de kreftene som da oppstår virker til å flytte rotorens pekeretning i retning av jordens nord-syd-akse. Den viskøse friksjonen mot orienteringsendringer korter ned innstillingstiden.

Slik er gyrokompasset ikke beheftet med misvisning, i motsetning til det magnetiske kompasset.