مدوار

(تم التحويل من جيروسكوب)
A gyroscope

الجِيروسكوب Gyroscope أو الجيرو أو البوصلة الدوارة ، جهاز يستخدم الدوران لإحداث اتجاه ثابت في الفضاء. ويتكون أي جيروسكوب من عجلة أو كرة غزل يُطلق عليها الدوار، ونظام إسناد. وعندما يبدأ الدوار في الحركة فإن الجيروسكوب يقاوم أي محاولة لتغيير اتجاه دورانه. ومن أجل هذه الخاصية يستخدم الجيروسكوب كثيرًا في الطيران وفي معدات الملاحة. يعطي الجيروسكوب معلومات عن مسار الطيران دون تأثُّر بالاضطرابات أو الدوامات الهوائية أو البحار الهائجة.

ويوجد نوع من الجيروسكوبات يجمع بين الدوران والانحراف، ويساعد قائد الطائرة في تقدير موقع طائرته في الجو. وتُستخدم الجيروسكوبات الضخمة بمثابة مثبتات لتخفيض تمايل السفن في البحر. وتستخدم قيادة الطائرة أو السفينة الأوتوماتية المزودة بالجيروسكوبات في عملية التوجيه إلى المسار الصحيح بصورة أفضل من الإنسان. وأجهزة الجيروسكوبات ضرورية أيضًا لتوجيه الطوربيدات، والصواريخ، والأقمار الصناعية، والمركبات الفضائية.

نبذة تاريخية

Gyroscope invented by Léon Foucault, and built by Dumoulin-Froment, 1852. National Conservatory of Arts and Crafts museum, Paris.

صُنع أول جيروسكوب يُشبه الجيروسكوبات الآلية الحديثة عام 1810م، وقام بصنعه المخترع الألماني جي.سي.بُوننبرغر. وفي عام 1852 بنى جان فوكوه الفيزيائي الفرنسي جيروسكوبًا ليوضح كيف تدور الأرض حول محورها. وقد أطلق فوكوه عليه اسمًا لاتينيًا مكوِّنًا من مقطعين يروز، ويعني دائرة أو حلقة، وسكوبي، وتعني منظرًا أو طلقة. وأساس التسمية هنا أن الجيروسكوب قد مكّنه من رؤية كيفية دوران الأرض حول محورها.

وقد طوِّر أول طوربيد يتحكم فيه الجيروسكوب في العقد الأخير من القرن التاسع عشر الميلادي، كما اختُرعت أول بوصلة جيروسكوبية عام 1908م، على يد المهندس الألماني هيرمان أنشتز كامبف. وفي عام 1911م تمكن العالم الأمريكي إلمر أمبروز سبيري ـ وهو مخترع وصانع ـ من تطوير البوصلة الجيروسكوبية للسفن وتحسينها. كما أنتج سبيري أيضًا موازنات جيروسكوبية للسفن، وكذلك أول معدات جيروسكوبية للطائرات.

وقد استُخدم كل من دليل مُعَدَّل الدوران، وجيروسكوب الاتجاه والأفق الاصطناعي في الطائرات أثناء الحرب العالمية الثانية؛ في الفترة من 1939 - 1945م. وساعدت هذه المعدات في الطيران الليلي الآمن، والاقتراب بدقة من خط الهبوط ليلا؛ً على الرغم من وجود السحب أو الضباب.

في نهاية أربعينيات وبداية خمسينيات القرن العشرين الميلادي بنى تشارلز إس. دريبر، وعلماء آخرون في معهد ماساشوسيتس للتقنية، أول نظام للتوجيه ذي القصور الذاتي، وكان نظامًا عالي الدقة. واستخدمت هذه النظم تزاوج الجيروسكوبات ومعدات التوجيه الأخرى للتحكّم في اتجاه المركبة. انظر: التوجيه بالقصور الذاتي.

Diagram of a gyro wheel. Reaction arrows about the output axis (blue) correspond to forces applied about the input axis (green), and vice versa.

يرجع تاريخ الجيروسكوبات المعلَّقة كهربائيًا إلى خمسينيات القرن العشرين. ومع بداية السبعينيات من القرن العشرين، توصل المهندسون إلى درجة تقربُ من الكمال في استخدام الجيروسكوبات في الطائرات. وبنهاية السبعينيات اختير نظام التوجيه بالقصور الذاتي مستخدمًا جيروسكوب الليزر في الخطوط الجوية. ويعمل العلماء، في هذه الأيام، على تطوير أنواع جديدة من الجيروسكوبات، مثل جيروسكوب الليزر ذي المادة الجامدة، والذي يرُسل ضوءًا خلال ألياف زجاجية شفافة خاصة، وهذا يقلِّل كثيرًا من تكلفة المعدات.

الوصف والرسم التخطيطي

خواص الجيروسكوبات

لقصور الذاتي الجيروسكوبي يعني ميل الجسم الدوامي نحو مقاومة تغيير اتجاه محوره. وهذه الخاصية تجعل محور القمة الدوامية (أعلاه) مستمرًا على الدوران بشكل مستقيم إلى أن تبطئ القمة من حركتها.

الجيروسكوبات مفيدة في الكشف عن تغير الاتجاه، اعتمادًا على خاصية الأجسام الدوامية. وتتصف جميع الأجسام الدوامية بخاصيتين هما: 1- القصور الذاتي الجيروسكوبي.

2- المبادرة الجيروسكوبية.

Animation of a gyro wheel in action

القصور الذاتي الجيروسكوبي

هو نزوع الجسم في حالة دورانه وميله لمقاومة أية محاولة لتغيير اتجاه محور الدوران. فالأرض على سبيل المثال، تدور حول محورها، وهو الخط الوهمي الذي يصل بين القطبين الشمالي والجنوبي. ونظرًا لوجود القصور الذاتي الجيروسكوبي، فإن المحور الشمالي للأرض يظل مشيرًا إلى النجم الشمالي، وذلك مع تحرُّك الأرض في مدارها حول الشمس.

A gyroscope in operation with freedom in all three axes. The rotor will maintain its spin axis direction regardless of the orientation of the outer frame.

يشير محور الدوران الجيروسكوبي دائما إلى نقطة ثابتة في الاتجاه نفسه؛ بغض النظر عن كيفية حركة حامل الجيروسكوب. ويعتمد مقدار قوة القصور الذاتي على كيفية توزيع وزن الدوار وسرعة دورانه. وتكون الجيروسكوبات، التي يرتكز معظم ثقلها عند حافة الدوار، ذات أعلى قدر من القصور الذاتي، ولهذا فإنَّ عجلة الدراجة تمثل جيروسكوبًا جيدا. ولكن عند دوران قلم رصاص حول نقطة، فإنه لا يمثل جيروسكوبًا جيدا. وإضافة إلى ذلك كلما زادت سرعة دوران الدوار ارتفع مقدار القصور الذاتي الذي يكتسبه الجيروسكوب.

لمبادرة ميل الجسم الدوار نحو الحركة بزاوية قائمة باتجاه القوة المطبقة عليه. هنا نجد أن عجلة الدراجة تتقدم عند بذل قوة في إحدى جهتي محورها.

المبادرة الجيروسكوبية

أي نزوع الجسم ـ في حالة الدوران ـ للتحرك بزوايا قائمة على اتجاه أي قوة تحاول تغيير اتجاه دورانه، ويمكن استخدام المبادرة الجيروسكوبية في توجيه طوق متدحرج. فالطوق لن يسقط وإنما يستمر في التدحرج؛ بشرط أن تكون عملية الدفع من الجانب ضد القمة. وهو في هذه الحالة يلف فقط حول منعطف. وتكون مبادرات الطوق أو الدوران بزوايا قائمة على القوة المستخدمة. وبالمثل فإن الدوران الجيروسكوبي يتحرك بزوايا متعامدة على اتجاه أي قوة تحاول تغيير اتجاه محوره. ومبادرة الكرة الأرضية نفسها ضعيفة نظرًا لشدة جاذبيتي كلٍّ من الشمس والقمر اللتين تعملان على إمالة الكرة الأرضية.

أنواع الجيروسكوبات

الجيروسكوبات الآلية

تتكون الجيروسكوبات الآلية، في العادة، من الدوار ومحور عجلات تُدعَّم بهيكل مثبت وقاعدة. وفي الجيروسكوبات ـ وحيدة درجة الحرية، يكون جانب الدوار مثبتًا على حلقة، يطلق عليها محورانية، وهي مزودة بمحور ارتكاز في جانب هيكل الجيروسكوب. ويمكن للجيروسكوب عندئذ أن يدور بحرية حول خط وهمي عمودي على محور عجلات الدوار. وللسماح للجيروسكوب بالدوران في اتجاه آخر يتم ذلك من خلال تثبيت المحورانية، على محامل بداخل محورانية أخرى. ويدعم الهيكل والقاعدة كلاًّ من المحورانيتين، ولهذا يكون محور عجلة الجيروسكوب حراً عندئذ، ليشير إلى الاتجاه نفسه، بغض النظر عن كيفية الاتصال بالهيكل. ويطلق على الجيروسكوبات التي تحوي محورانيتين الجيروسكوبات ثنائية درجة الحرية.

جيروسكوب ثنائي درجة الحرية له دوار ومحور مركبان على حلقتين مرتكزتين تسميان محورانيين تمكنان المحور من المحافظة على اتجاه دورانه عندما يتحرك ساند الجيروسكوب.

تُدار الجيروسكوبات الدوارة بمحرك كهربائي، أو نفاثات من الهواء عالية السرعة. ويمكن أن يكون عرض الأجزاء الدوارة المستخدمة في جيروسكوبات معدات الطائرة أقل من خمسة سم، وتدور بمعدل 30,000 دورة/دقيقة. ومن جهة أخرى فقد بنيت في عام 1933م ثلاثة جيروسكوبات ضخمة بلغ عرضها أربعة أمتار. واستُخدمت هذه الجيروسكوبات في الموازنات الجيروسكوبية لعابرة المحيطات المعروفة باسم كونت دي سافويا. وبلغ وزن الجزء الدوّار الواحد حوالي 100 طن متري، وكانت تدور بمعدل 800 دورة/دقيقة.

لابد أن تُصنع المحامل التي يدور حولها الجيروسكوب بدقة فائقة، بحيث يكون الاحتكاك أقل ما يمكن. ويسبب الاحتكاك انحراف محور الدوَّار بعيدًا عن موقعه الصحيح. وتستخدم أفضل الجيروسكوبات كرات محامل ملساء جداً ومستديرة. وتُجمع هذه الجيروسكوبات في غرف نظيفة لا نوافذ لها، لأن وجود أقل قدر من التراب يمكن أن يؤثر على أداء الجيروسكوب. كما يمكن أيضًا منع أي احتكاك، وذلك من خلال تعويم الدوَّار في سائل أو بطبقة رقيقة من غاز مكيَّف الضغط.

Precession on a gyroscope

الجيروسكوبات المعلقة كهربائيًا

تُعد الجيروسكوبات المعلقة كهربائيًا من بين أكثر الجيروسكوبات دقة في الصنع. والجزء الدوار في هذه الجيروسكوبات كرة خفيفة من البريليوم. وتعلَّق هذه الكرة في فراغ بفعل القوى الكهربائية، وتقوم القوة المغنطيسية المتولدة بعملية الدوران الترددي.

جيروسكوبات الليزر

جيروسكوب الليزر يوفر التوجيه دون استخدام دوار دوامي. يمرر شعاعان من الليزر في اتجاهين متعاكسين حول ممر داخل الجيرو. وعندما يميل الجيرو بسبب تغيير الاتجاه يقوم الكاشف بتسجيل التغير الناتج في العلاقة بين الشعاعين.

تُقدِّم الجيروسكوبات العاملة بالليزر معلومات عن الاتجاهات دون الحاجة إلى دوران العضو الدوار. وفي جيروسكوبات الليزر يتم إرسال شعاعين من أشعة الليزر في اتجاهين متعاكسين حول ممر معروف الشكل، قد يكون مثلثًا أو مستطيلاً، ويعرف باسم الحلقة. وفي البداية تنطلق موجات الليزر الخفيفة جميعها في دفعة واحدة بعضها مع بعض. ولكن إذا حدث ميل للجيروسكوب ـ كما في حالة دوران الطائرة ـ فإن أحد هذين الشعاعين سيصل إلى مسافة أطول من الشعاع الآخر، وذلك لإتمام مسار الحلقة. ونتيجة لذلك فسيكون الشعاعان خارج حزمة الضوء بعد الانتقال حول المسار. وعندئذ تحلل أجهزة الحاسوب مقدار خروج الأشعة عن حزمة الضوء، وتحسب التغيُّر في اتجاه الطائرة وتتحكّم في الاتجاه تلقائيًا.

المدوار الليزري الحلقي.jpg

الشكل (3) المدوار اليزري الحلقي

يتألف المدوار الليزري الحلقي من جسم مثلثي يحتوي على أخدود مثلثي طوله الكلي L كما في (الشكل3). يولد المنبع الليزري مصدرين ضوئيين مضخمين مترابطين coherent ينتقلان في اتجاهين متعاكسين وينعكسان على مرآتين M2 وM3 مروراً بمرآة نصف عاكسة M1. يتم تجميع الشعاعين الليزريين بوساطة عدسة، فتتشكل عند التقائهما موجة ساكنة ، فإذا تعرض جسم هذا المدوار إلى انحراف في مستوى الجسم المثلثي يحدث انزياح عن موقع الموجة الساكنة، ويتناسب هذا الانزياح مع سرعة الانحراف، وهناك خلية كشف ضوئية detector تقوم بقياس هذا الانزياح وتنقل نتائجه إلى حاسوب معالج يتولى إعطاء الأوامر التصحيحية.

ـ مدوار الليزر الحلقي ring laser gyroscope: تم تطوير أول مدوار ليزري في الستينات من القرن الماضي، وركب في طائرات الركاب منذ عام 1978 فشاع استخدامه وازدادت وثوقيته ودقته، وانخفضت كلفته مقارنة بالمدوار الميكانيكي.

Gyrostat

MEMS

VSG or CVG

DTG

هناك ثلاثة أنواع رئيسية من المدوارات:

مدوار ثلاثي المستويات (الحربة).jpg

الشكل (1) مدوار ثلاثي المستويات (الحرية)

ـ المدوار العطالي inertial gyroscope: يستخدم في المدوار الميكانيكي التقليدي، قرص دوار يدور بسرعة زاويّة كبيرة (عشرات آلاف الدورات في الدقيقة) ومتمفصل على نقطتي استناد (مدوار وحيد الحرية) أو على أربع نقاط استناد في مستويين (مدوار ثنائي الحرية) أو على ست نقاط استناد في ثلاثة مستويات (مدوار ثلاثي الحرية) gimbaled gyroscope (الشكل 1).

إن عدد الدورات الكبير الذي يدور به القرص الدوار، ونقاط الاستناد العديمة الاحتكاك تقريباً تبقي محور القرص الدوار في الوضع نفسه (الأثر المدواري) مهما تغير وضع الجسم الحامل له كالطائرة أو الصاروخ أو السفينة.

وإذا ما تم تركيب ثلاثة مدوارات على المحاور الثلاثة الرئيسية للجسم الحامل Z,Y,X أمكن قياس انحراف هذا الجسم ومعدله في كل لحظة من اللحظات في الاتجاهات الثلاثة مما يمكن من التحكم بالجسم تحكماً كاملاً.

ومع أن المدوارات الميكانيكية الحديثة مصممة وفق تقانات متقدمة جداً بهدف خفض احتكاك محور الجسم الدوار فإنه لا يمكن حذف عامل الاحتكاك نهائياً، وهذا ما يؤدي إلى خفض تدريجي في عدد دورات المدوار مما يولد خطأ في قياس انحراف الجسم ومعدله gyroscope drift يتزايد مع زمن العمل، وهو ما يعرف باستقرار الجيروسكوب gyroscope stability، علماً أن هناك العديد من الطرائق التي تهدف إلى خفض هذا الاحتكاك سواء عن طريق حمل المحور على وسائد هوائية أم مغنطيسية أم اهتزازية.

مدوار الألياف البصرية.jpg

الشكل (2) مدوار الألياف البصرية

ـ مدوار الألياف البصرية fibre- optic gyroscope (FOG): يعتمد مبدأ عمل مدوار الألياف البصرية على حدوث انحراف في الطور الناتج من إطلاق شعاعين مترابطين coherent للضوء باتجاهين متعاكسين داخل حلقة دائرية من الألياف البصرية. ويظهر في (الشكل2) كيف تدخل موجة ضوئية حلقة دائرية من الألياف البصرية نصف قطرها R عند النقطة p، مركبة على قاعدة. ويتم تقسيم شعاع الضوء إلى موجتين تنطلقان في اتجاهين متعاكسين باتجاه دوران عقارب الساعة وعكس اتجاه دوران عقارب الساعة داخل الحلقة، وعند التقاء هذين الشعاعين تتشكل أهداب franges متداخلة. فإذا تعرض جسم المدوار إلى انعطاف أو انحراف في مستوي الحلقة فإن الأهداب تنزاح عن مواضعها مسافة تتناسب مع معدل الانحراف، وهناك خلية ضوئية تقوم بقياس هذا الانزياح ومعدله وتنقل نتائج القياس إلى حاسوب معالج يقوم بإعطاء الأوامر التصحيحية.

وكما هو واضح فإن كلاً من المدوار البصري والمدوار الليزري هما من النوع وحيد الحرية أي يجب استخدام ثلاثة مدوارات على محاور الجسم الثلاثة لقياس حركة الجسم في الاتجاهات الثلاثة.

يتميز كل من المدوار البصري والمدوار الليزري بعدم وجود قطع متحركة، وهذا يعني عدم وجود احتكاك مما يزيد من دقة قياساته.

براءات الاختراع الأمريكية

أرقام
Reissued

الاستخدامات الحديثة

إن الاستخدام الأكثر شيوعاً للمدوار هو في التوجيه والتحكم بأجسام متحركة بهدف المحافظة على مسار معين محدد مسبقاً موجود في ذاكرة حاسوب مجموعة التحكم والتوجيه، ويقدم معلومات آنية ومستمرة عن الوضع الذي يجب أن تأخذه محاور الجسم الحامل في كل لحظة من اللحظات. وتتم مقارنة هذه القيم الاسمية مع القيم المقاسة بمساعدة المدوار. فإذا ظهر أي اختلاف بينها تقوم منظومة التحكم بتوليد أوامر تصحيحية وإرسالها إلى دفات القيادة في الطائرة أو الصاروخ أو السفينة أو الغواصة أو إلى نوافث التوجيه في السواتل، حيث تتم إعادة الجسم إلى الوضعية المطلوبة على المحاور الثلاثة، وهو مبدأ عمل أجهزة التحكم والتوجيه العطالي inertial navigation، ويبين (الشكل4) توضيحاً لهذه العملية. مبدأ عمل مجموعة التحكم والتوجيه.jpg

أنظر أيضاً

المصادر

الموسوعة المعرفية الشاملة


قراءات أخرى

  • 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.
  • Audin, M. Spinning Tops: A Course on Integrable Systems. New York: Cambridge University Press, 1996.
  • Proceedings of Anniversary Workshop on Solid-State Gyroscopy (19–21 May 2008. Yalta, Ukraine). - Kyiv-Kharkiv. ATS of Ukraine. 2009. ISBN 978-976-02-5248-6.

وصلات خارجية

كتب
  • 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.
  • Audin, M. Spinning Tops: A Course on Integrable Systems. New York: Cambridge University Press, 1996.
مواقع إلكترونية
أوراق
محاضرات
هناك كتاب ، High School Physics/Rotational Motion، في معرفة الكتب.