Gyroskop

Hintergrund

Das Gyroskop ist ein vertrautes Spielzeug, das ein täuschend einfaches Aussehen hat und Kinder in verschiedene mechanische Prinzipien einführt, obwohl sie es möglicherweise nicht erkennen. Das Gyroskop ist so etwas wie ein komplexes Oberteil aus präzise bearbeitetem Metall und ist ein sich drehendes Rad, das in zwei oder mehr kreisförmige Rahmen gesetzt werden kann, die jeweils entlang einer anderen Linie oder Achse ausgerichtet sind. Der Rahmen kann in jedem Winkel geneigt werden, und das Rad behält – solange es sich dreht – seine Position oder Haltung bei.

Aber das Gyroskop ist nicht nur ein Spielzeug. Es ist Teil vieler wissenschaftlicher und verkehrsbezogener Instrumente. Dazu gehören Kompasse, die Mechanismen, die Torpedos auf ihre Ziele lenken, die Ausrüstung, die große Schiffe wie Flugzeugträger davon abhält, auf den Wellen zu rollen, automatische Piloten auf Flugzeugen und Schiffen und die Systeme, die Raketen und Raumfahrzeuge relativ zur Erde lenken (d , Trägheitsführungssysteme).

Das Gyroskop besteht aus einem zentralen Rad oder Rotor, der in einem Rahmen aus Ringen montiert ist. Die Ringe werden richtigerweise Kardanringe oder Kardanringe genannt. Kardanringe sind Geräte, die ein Rad oder eine andere Struktur tragen, sich aber frei bewegen lassen. Die Ringe selbst werden an einem Ende von einer Spindel oder Achse getragen, die wiederum auf einer Basis oder in einem Instrument montiert werden kann. Die Eigenschaft der Rotorachse, in ihre ursprüngliche Orientierung im Raum zu zeigen, wird als Kreiselträgheit bezeichnet; Trägheit ist einfach die Eigenschaft eines sich bewegenden Objekts, sich zu bewegen, bis es gestoppt wird. Reibung gegen die Luft verlangsamt schließlich das Rad des Gyroskops, so dass sein Schwung nachlässt. Die Achse beginnt dann zu wackeln. Um seine Trägheit beizubehalten, muss sich ein Gyroskop mit hoher Geschwindigkeit drehen und seine Masse muss auf die Felge des Rades konzentriert werden.

Verlauf

Der Kreisel ist ein beliebtes Kinderspielzeug. Kein Wunder also, dass sein Vorfahre der Kreisel ist, eines der ältesten Spielzeuge der Welt. Ein Single-Frame-Gyroskop wird manchmal als Gyrotop bezeichnet; umgekehrt ist ein Kreisel ein rahmenloses Kreisel. Im 16. bis 18. Jahrhundert verwendeten Wissenschaftler wie Galileo (1564-1642), Christiaan Huygens (1629-1695) und Sir Isaac Newton (1642-1727) Spielzeugkreisel, um die Rotation und die physikalischen Gesetze, die sie erklären, zu verstehen. Im Frankreich des 19. Jahrhunderts studierte der Wissenschaftler Jean-Bernard-Léon Foucault (1819-1868) Experimentalphysik und bewies die Erdrotation und erklärte ihre Auswirkungen auf das Verhalten von Objekten, die sich auf der Erdoberfläche bewegen. In den 1850er Jahren untersuchte Foucault die Bewegungen eines in einem Kardanrahmen montierten Rotors und bewies, dass das Spinnrad trotz der Erdrotation seine ursprüngliche Position oder Ausrichtung im Weltraum beibehält. Foucault benannte den Rotor und kardanisch das Gyroskop aus den griechischen Wörtern gyros und skopieren bedeutet "Rotation" und "zu sehen".

Erst Anfang des 20. Jahrhunderts fanden Erfinder eine Verwendung für das Gyroskop. Hermann Anschiutz-Kaempfe, ein deutscher Ingenieur und Erfinder, erkannte, dass die stabile Ausrichtung des Kreisels in einem Kreiselkompass genutzt werden könnte. Er entwickelte den Kreiselkompass für den Einsatz in einem Tauchboot zur Unterwassererkundung, wo normale Navigations- und Orientierungssysteme unpraktisch sind. 1906 testete Otto Schlick einen Kreisel mit schnell drehendem Rotor im deutschen Torpedoboot See-bar. Die See ließ das Torpedoboot um 15° nach jeder Seite rollen, also insgesamt 30°; als sein Gyroskop mit voller Geschwindigkeit betrieben wurde, rollte das Boot insgesamt weniger als 1°.

In den Vereinigten Staaten führte Elmer Ambrose Sperry (1860-1930) – ein Erfinder, der für seine Leistungen bei der Entwicklung elektrischer Lokomotiven und Maschinengetriebe bekannt ist – einen Kreiselkompass ein, der auf dem US-Schlachtschiff Delaware . installiert wurde 1911. Er hatte 1909 den ersten Autopiloten entwickelt, der den Richtungssinn des Kreisels nutzt, um den Kurs eines Flugzeugs zu halten. Die Firma Anschütz installierte 1916 den ersten Autopiloten – basierend auf einem Dreirahmen-Gyroskop – in einem dänischen Passagierschiff. In diesem Jahr wurde auch der künstliche Horizont für Flugzeuge entworfen. Der künstliche Horizont teilt dem Piloten mit, wie das Flugzeug rollt (seitlich bewegt) oder nickt (sich von vorne nach hinten bewegt), wenn der sichtbare Horizont in den Wolken oder anderen Bedingungen verschwindet.

Auch für Schiffe war eine Rollreduktion erforderlich. Die Sperry Company hatte 1915 einen Kreiselstabilisator eingeführt, der ein Zweirahmen-Gyroskop verwendet. Das Rollen eines Schiffes auf dem Ozean macht Passagiere seekrank, verursacht Ladungsverschiebungen und Schäden und führt zu Spannungen im Schiffsrumpf. Sperrys Kreiselstabilisator war schwer, teuer und nahm viel Platz auf einem Schiff ein. Sie wurde 1925 obsolet, als die Japaner eine Unterwasserflosse zur Stabilisierung von Schiffen entwickelten.

Während der intensiven Entwicklung von Raketensystemen und fliegenden Bomben vor und während des Zweiten Weltkriegs wurden Zweirahmen-Gyroskope mit Dreirahmen-Instrumenten gepaart, um Roll- und Nickbewegungen zu korrigieren bzw. für eine automatische Steuerung zu sorgen. Die Deutschen verwendeten diese Kombination bei der fliegenden V-1-Bombe, der V-2-Rakete und einem pilotenlosen Flugzeug. Die V-2 gilt als frühe ballistische Rakete. Orbitierende Raumfahrzeuge verwenden eine kleine, gyroskopstabilisierte Plattform für ihre Navigationssysteme. Diese Eigenschaft von Gyroskopen, stabil zu bleiben und die Richtung mit einem sehr hohen Grad an Genauigkeit zu bestimmen, wurde auf Zielfernrohre, Bombenvisiere und die Bordplattformen angewendet, die Kanonen und Radar unterstützen. Viele dieser Mechanismen wurden während des Zweiten Weltkriegs stark verbessert, und die Trägheitsnavigationssysteme, die Gyroskope für Raumfahrzeuge verwenden, wurden in den 1950er Jahren erfunden und perfektioniert, als die Weltraumforschung immer wichtiger wurde.

Rohstoffe

Die zur Herstellung eines Gyroskops verwendeten Materialien können je nach Konstruktion und Verwendungszweck des Gyroskops von relativ einfach bis hochkomplex reichen. Manche sind präziser gefertigt als die feinste Uhr. Sie können sich auf winzigen Kugellagern, polierten Edelsteinflecken oder dünnen Luft- oder Gasfilmen drehen. Einige arbeiten vollständig in einem Vakuum, das von einem elektrischen Strom ausgesetzt wird, sodass sie nichts berühren und keine Reibung entsteht.

Ein Gyroskop mit einem elektrisch betriebenen Motor und Metallkardanringen besteht aus vier grundlegenden Komponentensätzen. Dies sind der Motor, die elektrischen Komponenten, elektronische Schaltungskarten für den programmierten Betrieb sowie die Achs- und Kardanringe. Die meisten Hersteller beziehen Motoren sowie elektrische und elektronische Komponenten von Zulieferern. Dies können Lagerartikel sein oder sie können nach einer Reihe von Spezifikationen hergestellt werden, die dem Lieferanten vom Gyroskophersteller zur Verfügung gestellt werden. Typischerweise bearbeiten Gyroskophersteller ihre eigenen Kardanringe und Achsen. Aluminium ist aufgrund seiner Ausdehnungs- und Festigkeitseigenschaften ein bevorzugtes Metall, aber anspruchsvollere Gyroskope bestehen aus Titan. Metall wird in großen Mengen als Stangenmaterial eingekauft und bearbeitet.

Design

Ausgehend von den elektrischen und mechanischen Aspekten der Kreiseltheorie als Leitlinie wählen die Ingenieure ein Raddesign für die Kardanringe und ein für das Design geeignetes Metallmaterial aus. Die Designs für viele Anwendungen von Gyroskopen sind ziemlich Standard; das heißt, bei der Neugestaltung oder dem Design einer neuen Linie geht es darum, ein vorhandenes Design an eine neue Verwendung anzupassen, anstatt von Grund auf ein neues Produkt zu erstellen. Design beinhaltet jedoch die Beachtung der grundlegendsten Engineering-Praktiken. Toleranzen, Abstände und elektronische Anwendungen sind sehr genau. Beispielsweise weist die Konstruktion der Kardanräder und die Konstruktion der Bearbeitung für sie eine sehr geringe Fehlertoleranz auf; Der Querschnitt eines Kardanrahmens muss durchgängig einheitlich sein, sonst gerät das Gyroskop aus dem Gleichgewicht.

Der Herstellungsprozess

1. Die Kardanringe und Kardanrahmen werden aus Aluminiumstangenmaterial unter Verwendung von Ein Beispiel für ein Gyroskop. Werkzeuge, die im Rahmen des Designprozesses entwickelt wurden. Sie werden poliert und gereinigt und bis zur Montage in Behältern aufbewahrt. Zur Montage werden die Behälter an geeignete Stellen entlang des Montagebandes bewegt.
2. Gyroskope werden in einem unkomplizierten Fließbandprozess hergestellt, der die Bedeutung der "Berührungsarbeit" gegenüber der Automatisierung betont. Gyroskope werden von innen nach außen montiert. Der Motor ist das Herzstück des Gyroskops und wird zuerst eingebaut. Ein "typischer" Gyroskopmotor ist so synchronisiert, dass er sich mit 24.000 Umdrehungen pro Minute (U/min) dreht. Er muss perfekt synchronisiert sein, und der Motor wird normalerweise vor der Montage auf dem Prüfstand getestet. Der Motor wird mit elektrischen Anschlüssen versehen.
3. Als nächstes werden die Kardanrahmen und Rahmen montiert, beginnend mit dem inneren Kardanrahmen und endend mit dem äußeren Kardanrahmen. Lager werden eingesetzt. Das "Endspiel" der Lager (das Spiel der Passung) hat typischerweise eine sehr kleine Toleranz von 0,0002-0,0008 Zoll (0,006-0,024 mm).
4. Am Fließband werden die äußersten elektrischen Anschlüsse angebracht und Leiterplatten hinzugefügt. Schließlich wird das Gyroskop am Ende des Montageprozesses kalibriert. Die Aufhängung der Lager und die Kalibrierung werden von Hand überprüft; Hersteller haben festgestellt, dass selbst bei der Kalibrierung menschliche Beobachtungen, Tests und Korrekturen vertrauenswürdiger sind als automatisierte Methoden.

Das Gyroskop ist ein elegantes Beispiel für die Anwendung einfacher physikalischer Prinzipien. Da es einfach ist, bewachen Hersteller alle proprietären Techniken streng. Da das Gyroskop ein einfaches Gerät mit weitreichenden Einsatzmöglichkeiten ist, erfordern einige mehr Herstellungsprozesse. Die oben beschriebenen Herstellungsschritte dauern etwa 10 Stunden und führen zu einem freien Gyroskop für eine Anwendung wie die Raketenlenkung. Ein exotischeres Gyroskop kann 40 Stunden Montagezeit erfordern.

Qualitätskontrolle

Die Qualitätskontrolle ist während des gesamten Konstruktions- und Montageprozesses bei der Herstellung von Gyroskopen von wesentlicher Bedeutung, da die Instrumente Teil von bemannten Flugzeugen, unbemannten Raketen und anderen Transport- und Waffengeräten sind, die bei einem Ausfall Katastrophen verursachen können. Ingenieure, Wissenschaftler und Designer sind vor ihrer Einstellung und während ihrer Arbeit gut ausgebildet und geschult. Fließbandarbeiter müssen eine Erstausbildung absolvieren, um eingestellt zu werden, und sie haben regelmäßig geplante, fortlaufende Schulungen. Viele der Qualitätsstandards, die bei der Gyroskopherstellung erfüllt werden müssen, können gemessen werden, sodass während der gesamten Herstellung eine prozessbegleitende Inspektion durchgeführt wird. Die Qualitätskontrolle auf höchstem Niveau wird von unternehmensfremden Inspektoren durchgeführt und umfasst staatliche Inspektoren. Kunden führen auch ihre eigenen Inspektionen und Abnahmetests durch; Wenn das Produkt des Herstellers die Tests des Kunden nicht besteht, werden die fehlerhaften Gyroskope zurückgegeben.

Nebenprodukte/Abfälle

Gyroskop-Hersteller produzieren keine Nebenprodukte, aber sie neigen dazu, komplette Gyroskop-Linien für eine Vielzahl von Anwendungen herzustellen. Sie produzieren auch nicht viel Abfall. Bei der Bearbeitung der Kardanringe und Ringe fallen einige Aluminiumspäne an, die jedoch gesammelt und zum Recycling an den Aluminiumlieferanten zurückgegeben werden.

Sicherheitsbedenken

Hersteller beachten die Vorschriften der Arbeitsschutzbehörde (OSHA) für Licht, Belüftung und Ergonomie (bequeme Sitzgelegenheiten und Arbeitsbänke, die die Wahrscheinlichkeit von Verletzungen durch wiederholte Belastung reduzieren). Die Luftfeuchtigkeit muss in der Anlage aufrechterhalten werden, um elektrostatische Entladungen zu vermeiden. Es werden geringe Mengen an Reinigungslösungsmittel benötigt, aber es werden gutartige (harmlose) Reiniger auf Zitrusbasis verwendet.

Die Zukunft

Die Verwendung von Gyroskopen nimmt mit der Anzahl von Geräten zu, die Führung und Steuerung erfordern. Obwohl die Grundlagen des Gyroskops auf den Gesetzen der Physik beruhen und sich nie ändern können, entwickelt sich die Technologie weiter. Mechanische und elektrische Verfahren zur Bereitstellung der rotierenden Masse, die den Kreisel zum Laufen bringt, werden nach und nach durch Ringlaser und Mikrotechnik ersetzt. Spulen aus dünnen optischen Fasern sind der Schlüssel zu kompakten, leichten Gyroskopen, die in Navigationssystemen für Automobile Anwendung finden könnten. Das Gyroskop ist ein so einfaches, aber hoch entwickeltes Instrument, um so viele Werkzeuge im Transportwesen, in der Exploration und in der Industrie im Gleichgewicht zu halten, dass es, gesehen oder ungesehen, sicherlich einen Platz in der Zukunft hat.