Jiroskop

Gyroscope; yön ölçümü veya ayarlamasında kullanılan, açısal dengenin korunması ilkesiyle çalışan bir cihazdır. Türkçe’ ye jiroskop olarak çevrilmiştir. Jiroskopik hareketin temeli fizik kurallarına ve açısal momentumun korunumu ilkesine dayalıdır.

Jiroskoplar; basitçe bir tekerleğin ekseni etrafında hızlıca döndürülmesi sonucu ortaya çıkarlar. Tekerleğin etrafındaki çembere dik açıyla kenetlenmiş başka bir çember ve bu çemberlere dik açıyla tutturulmuş başka bir çember jiroskobu modeller. Jiroskobun öne çıkan iki özelliği bulunmaktadır. Jiroskobun durduğu yüzey ne açıyla oynatılırsa oynatılsın, jiroskobun dönüş ekseni sabit kalır. Bu özelliğinden dolayı uyduların sürekli olarak dünyaya dönük kalması, uçaklarda ve çeşitli araçlarda yapay ufuk oluşturulması ve oto pilot gibi uygulamalarda kullanılmaktadır.

Bir nesnenin bir eksen etrafında dakikadaki dönüş sayısı RPM (Revolutions Per Minute) olarak ifade edilmektedir. Aynı nesnenin saniyedeki dönüş derecesi °/sn olarak ifade edilmektedir. Yüksek hassasiyet gerektiren durumlarda, yani hareketin 1 dakikadan hatta 1 saniyeden daha kısa süreli oluşabildiği durumlarda saniyenin çok daha küçük dilimlerinde ölçüm yapılması gerekmektedir.

Her yönde dönen ve yalnız kütle merkezi sabit olan bir kütle veya tekerlekten oluşur. Esas olarak jiroskop, şekilde görüldüğü gibi, bir tekerlek veya dönen bir silindir, rotor ve eksenden oluşur.

Jiroskop tekerleği modeli

Bir jiroskop davranışı en kolay bir bisikletin ön tekerlek hareketi ile anlatılabilir. Ön teker dönerken, tekerleğin alt kısmı sola hareket ederse, tekerleğin üst kısmı sağa doğru tepki gösterir. Bisiklete binen herkes, bir bisiklet hızlı gittiği zaman dengeyi sağlamanın, yavaş gittiği zamankine göre çok daha kolay olduğunu bilir. Bir topaç, dönme hızı büyükse, dik kalarak dönmeye devam eder, fakat yavaşladıkça yana yatmaya başlar ve sonunda devrilir. Bu örneklerin her ikisinde de, kararsız olan (yani kolayca düşebilecek olan) cisimler, yeterli hızla hareket halinde oldukları zaman dik durabilmektedir.

Bunlarda gördüğümüz, bir defa bir düzlemde dönmeye başlatılan bir cismin o düzlemde dönmeye devam etmesi özelliğinden jiropusulalarda ve denizcilik ile havacılıkta kullanılan başka çeşitli seyir yardımcılarında faydalanılır. Bu özellik, ağırlığının büyük bir kısmı çevresine yakın toplanmış bulunan tekerleklerde daha açıktır.

Mekanik jiroskop

Mekanik bir jiroskopta, bir eksen etrafında dönüş için bir rotor ihtiva eden bir mekanizma bulunur. Rotor; bir dengeleme halkası ya da iç halka içinde monte edilir; iç halka bir dış dengeleme halkası içinde salınım yapar. Jiroskop çerçeve dengeleme halkası ya da dış halka, ortadaki destek sayesinde kendi düzlemi içinde bir eksen etrafında dönebilecek şekilde monte edilir. Dış halka, dönme serbestlik derecesine sahiptir ve kendi eksenine sahiptir. Bu iç içe halkalar sayesinde ortadaki rotor, 3 boyutlu düzlemde her yöne dönebilme kabiliyetine sahiptir. Rotor aksı; dönüş ekseni tanımlar. Böylece rotorun sürekli dönme serbestliği vardır ve üç boyutta üç farklı eksene sahiptir. Mekanizmaya herhangi bir yönde döndürme uygulandığı anda rotor aksi yönde uygulanan etki kadar döner. Rotorun ağırlık merkezi, dönüş esnasında sabit bir pozisyondadır. Rotor, aynı anda bir eksen etrafında döndürülürse; 3 boyutlu düzlemde diğer iki eksen etrafında salınma eğilimi gösterir. Bu eğilime rotorun içsel direnci denir.

Jiroskopun Tarihçesi

1743’ te John Serson; sisli veya puslu koşullarında ufuk bulmak için “Whirling speculum” (Serson’ s Speculum), adında, bir eksen üzerine yerleştirilmiş top ile, tek boyutlu bir jiroskop icat etmiştir. Jiroskop olarak bilinen alet ise ilk olarak 1817’de Alman Johan Bohnenberger tarafından icat edilmiştir ve jiroskop adı 1852’de Dünya’nın dönüş hareketini incelemek üzere yaptığı deneyler sırasında J. Foucault tarafından verilmiştir. 1817’ de ilk yapıldığında makine olarak adlandırılmıştır. Bohnenberger’ in makinesi, dönen bir büyük küreye dayanmaktadır. 1832 yılında, Amerikalı Walter R. Johnson dönen bir diske dayalı benzer bir cihaz geliştirmiştir. Paris’te Ecole Polytechnique çalışan Fransız matematikçi Pierre-Simon Laplace, bir öğretim aracı olarak kullanmak için bu makineye dikkat çekmiştir. Bu cihazın modern adı Foucault tarafından yapılan deneyde Yunanca’ da görmek anlamına gelen “skopeein” ve Yunanca’ da dönme anlamına gelen ”gyros” kelimelerinin birleşimi olarak verilmiştir. Foucault; yaptığı deneyde, merkezi aksın sürtünme kuvvetinin etkisinden dolayı 8-10 dakika süreyle dünyanın dönüşü simüle edilebilmiştir.

Foucault’ un jiroskobu, kardan askı biçimindeki dengeleme çemberlerine yerleştirilmiş bir tekerden ya da rotordan oluşmaktadır. Dengeleme çemberlerinin işlevi; rotorun dönme ekseninin her doğrultuda rahatça değişmesini sağlamaktır. 1850′ lerde bu türden bir rotorla çeşitli deneyler gerçekleştiren Foucault, teker dönmeye başladığında, uzaydaki ilk yönelimini dünyanın dönme etkisinden bağımsız bir biçimde koruduğunu, başka bir deyişle jiroskobun ekseninin dünyanın eksenine göre değişmez bir konumda kaldığını göstermiştir.

Jiroskopun yönelimini koruma özelliği, ondan gösterge olarak yararlanılmasını akla getirmiştir. Ama pratikte kullanılan ilk işe yarar jiroskop, ancak 1910′ da, bir Alman savaş gemisinde uygulamaya konulmuştur. 1911′ de ABD’ de Elmer. A. Sperry, jiropusula üretimine geçmiş ve kısa sürede İngiltere’ de benzer çalışmalar başlatılmıştır.

1909′da Sperry, jiroskobun doğrultu koruma özelliğinden uçak rotorlarında sabit tutma amacıyla yararlanarak ilk oto pilot düzeneğini geliştirmiştir. Gemilerde kullanılan ilk oto pilot ise 1916′ da Almanya Kiel’ de Anshütz şirketi tarafından üretilmiş ve bir Danimarka gemisine takılmıştır. 1916′da ayrıca, uçaklar için yapay ufuk oluşturmakta üç askılı bir jiroskoptan yararlanılmıştır. Şekilde gösterilen bu aygıt, pilota, uçağın öne arkaya ya da sağa sola ne kadar yattığını göstermektedir ve özellikle gözle görülür bir ufuk hattının bulunmadığı durumlarda yararlı olmaktadır.

1916’ da uçakta kullanılan ilk jiroskop

1915′ te Sperry Corporation, iki askılı bir jiroskoptan yararlanarak, gemilerin yalpalamasını azaltan, böylece yükün zarar görmesini engelleyen, tekne gövdesi üzerindeki gerilimleri azaltan ve insanların gemilerde rahatça dolaşabilmesini sağlayan bir jirostat geliştirmiştir. Bu türden bir jirostatın yalpalamayı azaltıcı etkisi oldukça güçlüdür ve geminin hızından bağımsızdır. Fakat çok büyük ve ağır olması ve üretim maliyetinin yüksek olması gibi dezavantajları vardır.

Sonraki yıllarda jiroskoplar; şekildeki gibi balistik füzelerin otomatik yönlendirme düzeneklerinde üç askılı öne arkaya, ya da sağa sola eğilme hareketlerinin denetim altına alınmasında da iki askılı jiroskoplardan yararlanılmıştır.

Dünya savaşında kullanılan torpido jiroskop ünitesi

Dünya savaşı patlak verdiğinde jiroskoplar, artık son derece duyarlı yön belirleme özelliği gelişmiş kumanda mekanizmalarıyla birleştirilmiştir. Uçaklarda kullanılan ağır silah ve bombardıman donanımları için dengeli nişan aygıtları, gemiler için de silah ve radar anteni platformlarında kullanılmışlardır. Bugün uzay araçları gibi çeşitli araçlarda kullanılan modern eylemsizlikle seyir sistemleri için, jiroskoplarca son derece duyarlı biçimde dengelenmiş küçük platformlara gereksinim vardır. 1950′ lerde hava destekli yatakların ve yüzme jiroskoplarının geliştirilmesiyle, bu türden platformların yapımı mümkün hale gelmiştir.

Jiroskopik Hareket

Serbest hareketli bir eksen etrafında dönen bir cisme (disk veya tekerlek) bir moment etki etmediği sürece dönen cismin açısal momentumu dönme ekseninin doğrultusunun daima aynı kalmasını sağlar. Eksene etki uygulanırsa yani doğrultusu saptırılırsa bu durumda bir moment reaksiyonu ortaya çıkar. Bu moment reaksiyonu jiroskopik hareket olarak bilinir.

Jiroskopik hareketin incelenmesi özellikle araç mühendisliği alanında önemlidir. Dönen elemanların ürettiği jiroskopik hareket, araçların kararlılığını etkiler. Örneğin bir taşıt dönemeç etrafında dönüyorsa tekerleklerin eksenlerinin saptırılmasıyla üretilen jiroskopik hareket aracı devirmeye çalışır. Bir uçağın yön değiştirmesi sırasında motorun dönen elemanlarının yaratacağı jiroskopik hareket uçağın sarsıntı yapmasına sebep olur. Benzer bir şekilde, bir gemide türbin çarkı tarafından üretilen hareket gemiyi yana doğru devirmeye zorlar. Jiroskopik hareket hakkındaki bilgi, tasarımcının moment reaksiyonlarını hesaplamasına ve bu yolla kötü etkilere karşı tedbir almasına olanak sağlar.

Jiroskopik etkilerin önemli uygulamaları jirostabilizatörler ve jiroskopik aletlerdir. Jirostabilizatörlerin başarılı uygulamaları gemilerde görülmüştür. Bu yolla salınım genliklerinde önemli azalmalar sağlanmıştır. Diğer bir uygulama olan jiropusula ise gemi, uçak, güdümlü füze ve uzay araçlarının kontrol sistemlerinde açısal konum ölçme elemanı olarak kullanılmaktadır.

Jiroskop Kullanım Alanları

  • Manyetik pusulaların ve aletselseyir sistemlerininişe yaramadığı,daha hassas ölçüm gereken radyokontrollühelikopter ya dainsansız hava araçlarıgibi uçanaraçlarındengelenmesiiçin kullanılır.
  • Yüksekkesinliklerisayesinde, jiroskoplar tünelmadenciliğindeyönkorumakiçin kullanılır.
  • Cihazlarınkonumu ve yönelimibulmak için mobil telefon vetabletbilgisayarlarda kullanılır.
  • Taşıtların harekethalinde oryantasyonunu dengelemek ve izlemekiçin kullanılır.
  • Egzersizaracı olarak avuç içi, kolve parmakgücü oluşturmakamacıylafizik tedaviparçası olarakkullanılır.
  • Dönme dinamiğigöstergesi olarakkullanılır.
  • Konumlandırma, durum kontrol, kesin yön ölçümü için kullanılır.
  • Askeri ve sivil istikamet ve durum bilgi sistemlerinde kullanılır.
  • Yer çekimi kuvvetine duyarsız olduğundan güdümlü füze yönlendirilmesinde kullanılır.
  • İvmeölçer ile birlikte bir aracın yol bilgisinin belirlenmesinde kullanılır.
  • Otomobil navigasyonunda kullanılır.
  • Temizlik robotları, otomatik çim biçme makinelerinde kullanılır.
  • Golf topu toplayıcıları ve kamera sabitliğinde kullanılır.
  • Robot denge sistemlerinde kullanılır.
  • Kötü havalarda dalgaların yol açtığı yalpalamayı azaltılıp gemi yolculuğu daha rahat hale getirilebilir. (Bunun yapılabilmesi için çok büyük bir jiroskopa ihtiyaç vardır.)‏
  • Uçakların bulut ya da sis içinde yaptığı kör uçuşlarda da jiroskoptan yararlanılır. Uçaklarda jiroskop pusulası gibi çalışan ve belli bir doğrultu ve belli bir düzeyde uçuşu sağlayan otomatik pilot vardır.

Jiroskop Türleri

1. Klasik döner jiroskop

Açısal momentumun konumu yasası ile çalışır. Sisteme dışarıdan etki eden tork ne olursa olsun, açısal momentumun sıfır olduğu varsayılır. Şekilde görüldüğü üzere, bu jiroskoplar; tipik olarak, akslara bağlı dönen çemberler üzerine monte edilmiş olan başka bir aks ve ona bağlı dönen bir disk ya da kütleden oluşur. Her çember, kendi içindeki çemberin serbestçe dönmesine imkân tanır. Sisteme nasıl bir tork uygulanırsa uygulansın, sistem sabit bir yönelimi koruyacaktır. Belirli bir eksen etrafında uygulanan dış tork veya dönüşün açısal hızı, devinim olgusu sayesinde ölçülebilir. Dış eksene uygulanan dönme hızını ölçmek için içerideki dönen kütlenin torku düzenli zaman aralıklarında ölçülür.

Klasik döner jiroskop

Günümüzde döner jiroskoplar genellikle stabilizasyon uygulamalarında kullanılır. Ancak dönen parçalar zamanla yıprandığı, sıkıştığı veya yavaşladığı için kullanıma çok uzun ömürlü olmamaktadırlar. Bu olumsuzluklarla başa çıkabilmek için gelişmiş rulman tipleri üretilmiş olsa da, yine de bu jiroskoplar düzenli bakım istemektedirler. Ancak döner jiroskopun en büyük avantajı da dış ortamdaki titreşimden etkilenmemesi ve yüksek titreşimli ortamı izole edebilmesidir. Bundan dolayı döner jiroskoplar günümüzde kütlenin önemli olmadığı, askeri savunma sanayi araçları ve savaş gemilerinde sıklıkla kullanılır.

 2. Cayrostat

Cayrostat (gyrostat) bir jiroskop çeşididir. Sağlam bir kasa içinde gizlenen büyük bir volandan oluşur. Günümüzde cayrostatlar genellikle uzay araçları ve uydularda irtifa ölçümünde kullanılır. Örneğin Mir Uzay İstasyonu, 3 adet dahili döner tekerleğe sahip cayrostata sahiptir.

3. MEMS jiroskop

MEMS jiroskop Foucault’ un sarkaç fikrini alır ve bir MEMS (Mikro Elektro-Mekanik Sistem) olarak bilinen bir titreşimli eleman kullanır. Titreşimli yapısı sayesinde günümüzde mikroçiplerin içine sığdırılmış ve birçok mobil elektronik cihazda kullanılmaktadır.

4. Fiber optik jiroskop

Fiber optik jiroskop (FOG) mekanik dönmeyi saptamak için ışık müdahalesi kullanan bir jiroskoptur. Fiber optik jiroskop sensörler, 5 km fiber optik kabloya bile ölçüm yapabilir.

Optik jiroskoplar, yakın zamanda lazer teknolojisinin keşfinden sonra geliştirilmiştir. Şekilde basit çalışma prensibi gösterilen fiber optik jiroskoplar, hiçbir hareketli parça içermediği için mekanik aşınma gibi bir dezavantajları yoktur. Günümüzde genellikle denizaltılarda ve boyutun büyük olduğu alanlarda kullanılır. Ticari kullanımı yaygın değildir.

FOG çalışma prensibi

5. Titreşim yapılı jiroskop

 Vibrating Structure Gyroscope (VSG) veya Coriolis Vibratory Gyroscope (CVG) olarak bilinen bu jiroskop türü, farklı metalik alaşımdan yapılmış bir rezonatör kullanır. Bu jiroskoplar, düşük hassasiyet ve düşük maliyetli MEMS jiroskop ve yüksek doğruluk ve yüksek maliyetli FOG arasında hassasiyete sahiptir.

Bu tür jiroskoplar MEMS (Micro-machined Electro Mechanical Systems) cihazlardır ve kolayca uygulanabilir küçük boyutlu aygıtlardır. Dönen bir sistemde, her nokta aynı dönme hızı ile birlikte döner. Titreşim yapılı jiroskop mikro-işlenmiş bir kütle içerir. Şekilde gösterildiği gibi bu kütle, bir dizi yay ile bir dış gövdeye bağlanır. Bu sistem bir titreşim veya dönmeye maruz bırakıldığında, içerideki kütle, uygulanan torkun aksi yönünde salınım yapar.

VSG yapısı ve elemanları

Şekilde gösterildiği gibi, bu salınım sonrasında hareket sensörlerine bağlı bir kapasitans ile kütle ters yönde itilerek sensör konumları eski haline getirilir ve sistem dengeye alınır.

Dönen bir cisim üzerindeki VSG’ nin merkez eleman salınımı

Bunların dışında aşağıda listelenen, az kullanılan jiroskop türleri de vardır.

  • Dynamically Tuned Gyroscope (DTG)
  • Ring Laser Gyroscope (RLG)
  • Quantum Gyroscope
  • Anti-Rolling Gyroscope