Jiroskop, açısal momentumu koruma prensibine dayanarak, oryantasyonu ölçmek veya korumak için kullanılan bir cihazdır. Tipik bir jiroskop, gimbals adı verilen üç halka içinde nispeten büyük bir rotor / disk askıya alınarak yapılır.

Çalışma Prensibi

Jiroskop, açısal momentumun korunumu prensibi üzerine çalışır ve belli bir eksende desteklenen ve kendi başına hareket etmekte serbest olan bir çıkrıktan oluşur. Dönen tekerlek veya rotor, gimbal adı verilen tek bir eksen etrafında dönmeyi sağlayan döner bir destek üzerine monte edilmiştir. Bir seferde, biri diğerinin içine monte edilmiş iki gimbal kullanarak, jiroskop, rotora üç derece dönme serbestliği verir.

Jiroskopun rotoru döndürüldüğü sürece, jiroskop aynı yöne işaret etmeye devam edecektir. Jiroskoplar çoğunlukla atalet navigasyon sistemleri için bir temel olarak kullanılır, yani üç çok hassas ivmeölçer yardımı ile jiroskopun monte edildiği aracın hareketini üç eksen üzerinde de algılayabilir.

Jiroskopta eksen etrafında dönen bir nesne, dönüş eksenine dik doğrultu boyunca dış bir torkla uygulandığında, devinim oluşur. Dönme ekseni etrafındaki bu dönme algılanır,  bu dönme ile ilgili bilgiler ters doğrultuda tork uygulayan bir motora veya başka bir cihaza iletilir. Böylece devinim iptal edilir ve oryantasyonu korur. Devinim, birbirine dik olarak düzenlenmiş iki jiroskop kullanarak da önlenebilir. Dönme hızı, sabit zaman sürelerinde karşı tork kuvvetiyle ölçülebilir.

Serbest dolaşıma bırakılan bir nesne düz bir çizgide hareket edecektir. Jiroskop çarkının eğrilmesi, birbirine dik, iki salınımın birleştirildiği şeklinde düşünülebilir. Bu salınımların her biri aynı çizgide kalır ve bu iki dikey çizgi ile tanımlanan düzlemi sabit bir düzlem yapar. Dolayısıyla düzleme dik olan dönüş ekseni aynı yöne işaret eder.

Bununla birlikte optik jiroskopta hareketli parça yoktur ve bu cihaz açısal momentumun korunmasına dayalı olarak çalışmaz. Bu tarz jiroskoplar Sagnac etkisi prensibine göre işletilirler. Bir lazer ışını ilk önce bu yüzeyin yarısı gümüşle kaplı bir ayna ile bölünür. İşlem, iki ışının aynı yöndeki zıt yönlerde hareket etmesini ve bir detektörde birleştirilmesini içerir. Çalışma sırasında, ışın yollarından biri detektöre ulaşmak için daha büyük bir mesafede hareket eder. Yol uzunluğundaki bu fark, sistemin açısal hızıyla orantılı olan bir faz kayması olarak tespit edilir.

Jiroskopun Kelime Kökenive Foucault Sarkacı

'Jiroskop' kelime olarak Fransız fizikçi Jean Bernand Leon Foucault tarafından üretilmiştir. Foucault optikte, lenslerin ve aynaların üretiminde ve test edilmesinde, fotoğrafçılık kimyasında ve elektromanyetizma üzerine araştırmalar yapmıştır. Bugün esas olarak 'Foucault sarkacı' adı verilen sarkaç düzeni ile tanınır. 1852'de Foucault,  Dünya'nın dönüşünü göstermek için bir jiroskop kullanmıştır. Jiroskop tekerleği çift eksenli bir yalpalamalı montajdadır. Bu da  ağırlık kuvvetinin bir tekerleğin kütle merkezine etki eder ve tekerleğe hiçbir tork etki etmez. Böylece hareket yönünü değiştirmek için tork olmadan dönen bir jiroskop tekerleği aynı yöne işaret olmaya devam edecektir.

Sonraki yıllarda Foucault’un sarkac deneyi dünyanın döndüğüne dair en büyük kanıt olarak görülmüştür. Foucault deneyi için Paris’te bulunan Pantheon’un kubbesinde hazır edilen 67 metrelik demir bir tele ve 28 kg ağırlığında olan demir bir top bağlamış ve zemine yerleştirilen kum ile de sarkacın hareketlerinin izinin tespit edilmesini sağlamıştır. Deney sonrasında serilen bu kum üzerinde izler oluşmuştu. Foucault yaptığı deneyinde herhangi bir hava akımına maruz kalmadığında düz bir şekilde durması gerektiği düşünülen sarkacın zamanla salınımının değişebileceğini o gün Pantheon’a gelen yüzlerce meraklıya kanıtlamıştı. Foucault’un deneyi sonrası Avrupa ve Amerika’da birçok bilimsel merkeze Foucault’un sarkacı benzeri sarkaçlar asılmıştır.

Kullanım Alanları

Tüm bunlara ek olarak jiroskoplar, teknelerde, uzay araçlarında ve uçaklardaki pusulalarda kullanılırlar. Uçaklarda, uçağın eğimi ve yönü, jiroskopun sabit dönüşüne karşı ölçülür. Uzay gemilerinde ise jiroskopun patinaj merkezi, oryantasyon noktasını kullanarak uzay gemilerinin istenen hedefe ulaşmasını sağlamaktadır. Büyük jiroskoplar, büyük teknelerin ve bazı uyduların yalpalanma hareketlerini önleyerek onları sabitlemek için kullanılır. Denialtılarda ise torpidoların yön verilmesi için de jiroskoptan yararlanılmaktadır.  Bazı füzelerdeki rehberlik sistemlerinde de kullanılırlar. Jiroskopların diğer uygulamaları arasında tünel madenciliğinde yönü korumak için atalet navigasyon sistemleri ve jeotheodolitler yer almaktadır.