Gyrohjulet

I "Fysiske fenomener" finner du gyrohjulet. Gyrohjulet viser samme prinsipp som gjør at det er lett å holde balansen på sykkelen, hvorfor snurrebassen ikke velter og hvordan et gyroskop virker. Prøv selv!

Gyrohjulet

I «Fysiske fenomener» finner du gyrohjulet, som viser et fascinerende fenomen. Dette kan være vanskelig å forstå, kanskje fordi vi ikke har så mye erfaring med dette fenomenet fra dagliglivet. Gyrohjulet viser likevel en veldig viktig lov i fysikken: bevaring av rotasjonsmengde. Det er denne loven som forklarer hvorfor det er lett å holde balansen på sykkelen, hvorfor snurrebassen ikke velter og hvordan et gyroskop virker.

Det er to punkter som illustreres her :

1. Når hjulet spinner så er det vanskeligere å endre rotasjonsretningen, kontra hvis hjulet står stille.

2. Når man dytter på håndtakene og vender hjulet, så begynner hele plattformen å rotere.

Begge punktene er konsekvenser av loven om bevaring av rotasjonsmengde, som er en grunnleggende og veldig viktig lov i fysikken. Loven sier at hvis noe roterer så vil det fortsette å gjøre det helt til noen «tvinger» det til å stoppe.

Prøv selv:

1. La først hjulet stå i ro. Når du dytter på de to håndtakene er det lett å få hele hjulet og hjulgaffelen til å rotere. La så hjulet spinne rundt seg selv, hvis du nå dytter på håndtakene er det nå tyngre å få hele hjulet og hjulgaffelen til å rotere (dette kan du kjenne uansett om du står på plattformen eller på gulvet). Grunnen til dette er at når hjulet spinner rundt seg selv, så har det en «rotasjonsmengde» og det er som om hjulet ønsker å fortsette å ha denne rotasjonsmengden. Rotasjonsmengden er avhengig av både rotasjonshastighet og treghetsmomentet (se rulleløpet). Her er treghetsmomentet til hjulet konstant så rotasjonsmengden er kun avhengig av rotasjonshastigheten – jo raskere hjulet spinner jo mer motstand vil du føle når du dytter på håndtakene. Dette punktet er noe vi alle har erfart: Det er det som gjør det lett å holde balansen på en sykkel når den er i bevegelse, men vanskelig når den står stille. Det er også det som gjør at en snurrebass står oppreist når den spinner, men faller når den står i ro.

2. Stå på plattformen, sørg for at plattformen ikke roterer, hold i begge håndtakene og få hjulet til å spinne (få gjerne hjelp av noen andre). Hvis du nå dytter på håndtakene slik at hjulet og hjulgaffelen rotere så begynner også du og plattformen og rotere. Hvorfor det?  Bildet under til venstre viser utgangspunktet (før du dytter på håndtakene): Rotasjonen er den grønne pilen, og den grønne rette streken viser rotasjonsaksen (en rotasjonsakse er en tenkt strek som går gjennom sentrum av hjulet. Det er nå ingen rotasjon om den gule eller den blå rotasjonsaksen. Det vil si at rotasjonsmengden om den vertikale aksen er null. Hvis du nå dytter på de to håndtakene så endrer du rotasjonsaksen til hjulet (den grønne streken endrer retning), og hvis du vender det 90 grader står det omtrent som på bilde under til høyre. Nå roterer hjulet om den gule aksen, og ikke den grønne, slik at nå er rotasjonsmengden til hjulet om den vertikale aksen ikke null. Siden hjulet og plattformen henger sammen så kan vi kalle dette et system. Systemet har nå «fått» en rotasjonsmengde (gul pil). I fysikken er det en viktig lov som sier at rotasjonsmengden ikke skal endre seg, såfremt ingen «tvinger» en endring (ved å påføre et kraftmoment). Siden den opprinnelige rotasjonsmengden er null, så for å «kompensere» for den gule rotasjonen, begynner nå plattformen å rotere MOTSATT VEI (blå pil).

På fysikkspråket brukes ofte bokstaven L om rotasjonsmengde:

Rotasjonsmengden om den vertikale aksen:

Forklaringen på dette fenomenet ligger altså i loven om bevaring av rotasjonsmengde.

Prøv gyrohjulet med en startrotasjon

Prøv punkt 2 på nytt, men nå kan du få en venn til å gi deg en dytt slik at plattformen roterer før du dytter på håndtakene. Effekten nå er at når håndtakene dyttes den ene veien så vil plattformen få ekstra stor fart (1), og når de dyttes den andre veien så stopper plattformen (2). Dette er også bevaring av rotasjonsmengde, men nå er den ikke null:

Gyroskop

Et gyroskop består av en disk som kan rotere om flere av de vinkelrette aksene. Hvis den kan rotere om alle tre aksene så har vi et 3-akset gyroskop (Gyrohjulet er et slags gyroskop, men gyrohjulet som helhet har kun frihet til å rotere om den vertikale aksen). «Vanlige» gyroskoper er det sikkert flere som har hatt som leketøy, se bildet under. Hvis du har et gyroskop som vist på bildet kan du prøve å holde på stengene som stikker ut mens disken spinner. Prøv så å rotere hele gyroskopet og du vil se at disken beholder sin rotasjonsretning, som om det er en «magisk» kraft som holder det fast.

Et «vanlig» gyroskop virker på en måte motsatt av gyrohjulet: I gyrohjulet så endrer vi rotasjonsretningen på hjulet som spinner og dermed begynner plattformen å spinne. I et gyroskop så spinner disken i midten, men hvis retningen på omrammingen endres så beholder disken sin rotasjonsretning.

Gyroskop har en rekke viktige anvendelser: Det brukes i dag som navigasjonssystem/autopilot i droner, raketter og ubåter, for stabilitet i båter, for å holde romteleskopers retning fastholdt mot bestemte stjerne, til å lage «gyrokompass», og for tunnel-boring. Såkalte MEMS-gyroskop er i nyere smarttelefoner, tablets og til og med smartklokker: det er den som gjør at skjermbildet snur seg når du vender på enheten. MEMS brukes også i Segway, Hoverboards, diverse spill-kontrollere, kameraer og mye mer. Et MEMS-gyroskop baserer seg på vibrasjon, og ikke rotasjon, men er i prinsippet det samme som et tradisjonelt gyroskop. Fordelen er at MEMS er billigere og mindre – den kan ha ytre mål på under 0,5 mm!