Jiroskop Nedir, Nasıl Çalışır? (Tarihi, Çeşitleri)

Jiroskop; uçaklar, uzay araçları ve gemiler için vazgeçilmez bir cihazken, akıllı telefonlardaki “sessiz beyinler” olarak günlük hayatımıza da girmiştir.

Jiroskop, “düzdöner” olarak da bilinir. Yön bulmak veya ölçmekte kullanılır. Bazı cihaz ve araçlarda denge sağlayan parçalardır. Jiroskopların dönüş ekseni, yönünü özgür olarak seçebilir. Dönerken açısal hızını koruyabilir. Ekseninin yönü, dönerken, dayanağın yönünden bağımsızdır. Bu sebeple devrilmez. Kütle merkezi sabit, her yöne dönme özelliği bulunan bir kütle, çark veya tekerlek de denebilir. Ayrıca, çift dengeleme halkası kullanılan bir çark veya disktir. Geleneksel bir jiroskop, mekanik sistemlerde ve aletlerde yaklaşık olarak bir eksen dönmeye odaklanmıştır. Aynı zamanda bir iç dengeleme çemberinde birleştirilmiş çark eylemlerini içeren bir mekanizma olarak tanımlanmıştır. İç dengeleme çemberi, bir dış halkanın içinde salınım gerçekleştiren ana unsurlardan biridir. Jiroskoplar çeşitlerine göre farklı ürün ve alanlarda kullanılabiliyor. Farklı yapıları ve çalışma sistemleri bulunabiliyor. Fizik kurallarının tipik bir örneği olan jiroskoplar, son derece teknik ve mekanik bir sistem kullanıyor. Günümüzde daha çok elektromanyetik sistemlerle üretiliyor. Bir veya birden fazla unsurun bir araya geldiği, çok sayıda mekanik eşdeğerin buluştuğu “mühendislik harikası” denge cihazlarıdır aynı zamanda. Gemileri denizde, uçakları havada, uzay araçlarını yörüngede tutan “sessiz beyin”ler de diyebiliriz. Jiroskopları tam olarak anlamak için lise fizik kitaplarını gözden geçirmeniz gerekebilir!

(Bohnenberger'ın "makinesi", New York West Point'teki Birleşik Devletler Askeri Akademisi'nde bulunuyor.)

Tarihçesi

Jiroskoplar, farklı medeniyetlerde bağımsız olarak icat edilen cihazlardır. Eski Yunan, Roma ve Çin’de icat edilen jiroskop örnekleri bulunuyor. Günümüzdeki jiroskopların prototipi sayılabilecek ilk örnek, 1743 yılında İngiliz deniz kaptanı John Serson tarafından icat edilmiştir. Bu alete, “fırıl fırıl yansıtaç” veya “Serson’un yansıtacı” adı da veriliyor. Serson, deniz koşullarında sisli veya dumanlı havalarda ufuk çizgisinin yerini tespit etmek için bu aleti kullanmıştır. Serson’un icat ettiği aparat, geminin hareketine rağmen yatay bir düzlemde kalmaya çalışıyordu. Aparatın üzerinde dönen bir topa bağlı bir ayna bulunuyordu. Deniz seyrüseferlerinde “yapay bir ufuk” olarak işlev görüyordu. Başlı başına bir jiroskop olmasa da, seyrüseferlerde kullanılan modern atalet navigasyonlarda bulunan jiroskopların öncüsü olarak kabul ediliyor.

Günümüzdeki modern jiroskoplara en çok benzeyen aparat, 1817 yılında Alman astronom Johann Gottlieb Friedrich von Bohnenberger tarafından icat edildi. Matematik ve astronomi profesörü olan Bohnenberger, “jiroskop etkisi”ni bulan ilk bilim adamıdır. Bohnenberger, icadını “makine” olarak adlandırdı. Bu makine, üç adet hareketli halkadan oluşuyordu ve bir tabla üzerine monte edilmişti. İki iç bilezik bir milin etrafın bağlanmıştı. Halkalar metal bir top ile destekleniyordu. Makinenin ekseni, ne şekilde döndürülürse döndürülsün sahip olduğu pozisyonu koruyabiliyordu.

Jiroskopun gelişimi ile ilgili bazı önemli tarihleri şöyle sıralayabiliriz;

• 1831 yılında Amerika’daki Pensilvanya Üniversitesi profesörlerinden Walter R. Johnson, dönen bir diske dayalı bir alet geliştirdi. Aynı yıl Fransız matematikçi Pierre-Simon Laplace, bu aparatı eğitim kullanmayı önerdi.
  
• 1836 yılında İskoç Bay Edward Sang, İskoçya Sanat Topluluğu'na jiroskop benzeri bir cihaz kullanan deney yapmayı önerdi.
  
• 1852 yılında Fransız bilim adamı Jean Bernard Leon Foucault, ilk kez “jiroskop” adını kullandı. Foucault, Dünya’nın dönüşü ile ilgili bir deneyde bu aparatı kullandı ve cihaza modern adını verdi.
  
• 1860’lı yıllarda elektrikli motorların icadı, jiroskoplar için yeni bir çığır açtı. Böylece yön göstergeleri ve topaç pusulalar için dayanak oluşturdu.
  
• 1904 yılında Alman mucit Hermann Anschütz-Kaempfe, gemilerde kullanılan ilk işlevsel topaç pusulanın patentini aldı.
  
• 1900’lü yılların başından itibaren jiroskopların denizcilik için önemi fark edildi ve askeri güç ölçüsü olarak kabul edilmeye başlandı. Farklı ülkelerdeki denizcilik sektörü kendi jiroskop endüstrisini oluşturmaya başladı.
  
• 1909 yılında Elmer A. Sperry, “Sperry Gyroscope Company” adlı bir şirket kurarak, ilk kullanılabilir jiroskopik cihazları üretti. Aynı yıl uçakların ilk otomatik pilotunu jiroskoplar yardımı ile kurdu.
  
• 1910’lu yıllarda Sperry, uzay ve deniz araçları stabilizörleri için jiroskoplar geliştirdi.
  
• 1916 yılında Anschütz şirketi, jiroskop kullanarak bir geminin ilk otomatik pilotunu kurdu.
  
• Aynı yıl uçaklarda “yapay ufuk” olarak jiroskoplar kullanılmaya başlandı.
  
• 1917 yılında gemi levazımları üreten Indianapolis’in Chandler adlı şirket, pistonlu ve tabanlı “Chandler” adı verilen bir jiroskop oyuncağı üretti. Şirket, 1982 yılında “TEDCO” tarafından satın alındı. TEDCO, halen “Chandler” jiroskopları üretmektedir.
  
• 1910’lu yıllarda eski kara kutu navigasyon sistemlerinde ve balistik füzelerde kullanılan atalet navigasyon sistemlerinde jiroskoplar kullanıldı.
  
• İkinci Dünya Savaşı’nda uçaklar ve uçaksavar nişan sistemlerinde jiroskoplar kullanıldı.
  
• Savaştan sonra güdümlü füzeler, güdümlü silahlar, navigasyon sistemlerinde yaygın olarak mini jiroskoplar kullanılmaya başlandı.
  

Jiroskopun Çalışma Prensibi

Düzdönerler, dönen bir disktir. Bir nevi çark olarak da bilinir. Temeli fizik kurallarına ve merkezkaç ilkesine dayanır. Geleneksel bir jiroskop, dönen bir silindir veya çark, rotor ve eksenden oluşur. Eksen, rotor içinde dönebileceği bir çembere yataklanmış şekildedir. Çember de, dik açı ile başka bir çembere bağlanmıştır. İç ve dış çemberle dik açı yapan bir çerçeveye kenetlenmiş şekilde bir de dış çemberi bulunur. Dönüş ekseni, kendi kendine herhangi bir yönü seçmekte özgürdür. Jiroskopların dışındaki çerçeve dengeleme çemberi ile desteklenmiştir. Dengeleme çemberi veya halkası, kendi düzleminde “bir eksen” dönmesi için çerçeve ile birleştirilmiştir. Dengeleme çemberi, “bir derece” dönme özgürlüğüne sahiptir. Çemberin ekseninin dönme özgürlüğü yoktur. İç dengeleme halkası ise, jiroskop çerçevesinin eksenine dikey pozisyondadır. Kendi düzleminde bir eksen dönebilir. Bu amaçla jiroskop çerçevesi ile birleştirilmiş durumdadır. İç dengeleme çemberinin dönme özgürlüğü ise iki derecedir.

Jiroskopların dönen diski veya çarkı, dönüş eksenini belirleyen parçalardır. Disk, iç denge halkasının eksenine dikey olarak bir eksen kadar dönecek şekilde tetiklenir. Bu sebeple, diskin üç ekseni, iki derece dönme özgürlüğüne sahiptir. Dönen diskin çıktı ekseniyle bağlantılı bir kuvvet, girdi ekseniyle ilgili bir kuvvete tepki verir. Yerçekimi merkezi sabit olabilen çark, kendiliğinden bir eksen kadar dönebilir, iki eksen kadar sallanabilir. Bu eylemler sırasında doğal olarak oluşan direnç dışında sabit bir nokta etrafında istediği yöne dönmekte özgürlüğe sahiptir. Jiroskoplardaki çarkın yerçekimi merkezi, salındığı eksenden dengelenebilir. Böylece çarkın yerçekimi merkezi ile salınım merkezi kesişmez. Ancak bazı durumlarda dış dengeleme halkası, diskin sadece iki özgür derecesi olması için çıkarılabilmektedir.

Jiroskop Çeşitleri

Jirostat: Jiroskopların bir türevidir. İlk olarak Lord Kelvin tarafından tasarlanmıştır. Yatay bir düzlemde dönen bir cismin (bisiklet gibi) hareketinin karmaşık yapısını örneklemek için tasarlanmıştır. Ayrıca maddenin ve havanın esnekliğinin mekanik teorilerini geliştirmek için kullanılmıştır. İri bir çarkı bulunur. Bu çark, kalın bir kılıfla gizlenmiştir. Günümüzde uzay araçlarını ve uyduları yörüngeye oturtmak için kullanılan kontrol sistemlerinde faydalanılır.

Mikro Elektromanyetik Sistem (MEMS) Jiroskop: Elektromanyetik bir titreşim sistemi kullanan jiroskoplardır.

Fiber Optik Jiroskop (FOG): Mekanik dönme hareketini tespit etmek için ışık kullanan jiroskoplardır. Alıcı olarak fiber optik kablolu bir bobin kullanılır. Haberleşme ve iletişim sistemlerinde kullanılmaktadır. 1970’li yıllarda haberleşme sistemleri için geliştirilen “Sagnac etkisi” ilkesiyle geliştirilen jiroskoplardır.

Yarı Küresel Yankılayıcı Jiroskop (HRG): “Şarap bardağı jiroskopu” veya “mantar jiroskop” olarak da biliniyor. Yarı küresel bir kabuğu bulunur. Bu kabuk üzerinde elektrotlar tarafından elektrostatik kuvvetler üretilir. Bu kuvvetler, bükülgen bir yankılama oluşturur. Bükülgen duran dalgaların atalet özelliği kullanılarak jiroskobik etki elde edilir.

Titreşim Yapılı Jiroskop (VRG): “Coriolis titreşen jiroskop” adı da verilir. Çeşitli metalik alaşımlar kullanılarak yapılmış yankılayıcı kullanır. Yüksek kalitede yarı küresel yankılayıcı jiroskoplar veya CRG adı verilen keskin alıcılı jiroskoplar için kullanılır.

Dinamik Ayarlı Jiroskop (DTG): Bir eklem tarafından eğilme dayanakları ile asılmış diski bulunan jiroskoplardır. Dengeleme halkası, dinamik atalet dönüş hızının karesiyle orantılı olarak negatif kaynak sağlar.

Halka Lazer Jiroskop (RLG): “Sagnac etkisi”ni kullanan bir jiroskop türüdür. Bir ışık demetinin kayma müdahalesi modeliyle dönme hareketini ölçer.

Londra Kuvveti Jiroskopu: Kuantum mekaniğini kullanan jiroskoplardır. Son derece hassas, doğru ve istikrarlı sonuçlar verir. Yerçekimi araştırmalarında ve ölçümlerinde kullanılabilirler. 

Hangi Uygulamalarda Kullanılır?

Jiroskoplar, birçok sektörde kullanılan oldukça faydalı aletlerdir. Elektronik cihazlardan yön bulma cihazlarına kadar geniş bir kullanım alanı bulunuyor. Topaç pusulalarda sabitleme yardımcısı olarak kullanılır. Manyetik pusula yapımında, güdüm sistemlerinde de jiroskopların çalışma prensiplerinden faydalanılır. Hava araçlarında alçalma ve yükselme açılarının belirlenmesi, uçakların veya uzay araçlarının rotadan çıkma açılarının tespiti veya bu tür araçların mevcut açılarını ölçmek amacıyla konum jiroskopları kullanılır. Kontrol kuvvet jiroskoplarından uzay araçlarında bir konum açısının sürekliliği için faydalanılabilir. Bazı durumlarda konum açıları elde etmek için, bazı durumlarda da dengeli direnç kuvveti kullanarak yön çevirme işlemleri yerine getirmek için “sabit çıktı dengeleme halkası” cihazları olarak kullanılır. Bazı jiroskoplar, kullanıldığı uygulamanın özelliğine göre sıvı içinde de kullanılabilir.

Jiroskopların kullanıldığı bazı cihaz ve ürünler şunlardır; kuantum bilimi, lazer sektörü, uzaktan kumandalı (RC) helikopterler, model uçaklar, madenlerde yön bulma cihazı olarak, insansız hava araçları, elektrikli kaykaylar, küçük tekneler, ticari gemiler, topaç hassas ölçüm cihazları (teodolitler), akıllı telefonlar, tabletler, akıllı saatler, pusulalar, bilgisayar aygıtları, elektronik cihazlar, denge gerektiren bilardo masaları gibi masalar, robotlar, teleskoplar, navigasyon cihazları, güdümlü silahlar ve füzeler, lunapark oyuncakları, yeni nesil devrilmeyen bisiklet ve motosikletler…

Bunları Biliyor musunuz?

• Jiroskop etkisini bulan Alman astronom Johann Gottlieb Friedrich von Bohnenberger’in adı, Ay’daki bir kratere verilmiştir. (Bohnenberger krateri)
  
• “Jiroskop” kelimesi, Eski Yunanca “daire” anlamındaki “guros” ve “bakmak için” anlamındaki “skopeo” sözcüklerinden türetilmiştir.
  
• Jiroskop, halk dilinde “düzdöner”, “yalpalık”, “cayroskop” ve “cayro” adları ile de biliniyor.
  
• Jiroskopik atalet; durduğu yer ne hareket ederse etsin ekseninin doğrultusunu koruması özelliğidir. Bu özellik; açısal hıza, ağırlığa ve ağırlığın yoğunlaştığı çapa bağlıdır.
  
• Jiroskopik atalet ilkesine dayanarak dönen bir cisim, sabit konumunu daima koruyabilir. Dönen bir jiroskop, uzaydaki bir uyduyu her zaman Dünya'ya dönük olarak tutabilir. Sabit duran uydu, iletişim imkânı verir.
  
• Dünya, ekvatoru saatte 1600 kilometre hızla dönen bir çeşit jiroskoptur.
  
• İki kanatlı böceklerde uçuş kontrolü sağlayan çubuk şeklindeki organlar da bir nevi jiroskoptur. Bu organlar, dönme hareketi yerine titreşim hareketi yaparlar.
  
• Yatay olarak uçan bir uçağın kanadındaki jiroskop, kanat hareketine göre dik açıda hareket eder. Hareketteki değişimi fark eden jiroskoplu cihazlar, kanatların açısı hakkında pilota bilgi verir. Farklı bir jiroskop da uçağın burun kısmından kuyruğa doğru alçalma ve yükselme açılarının verilerini verir. Hız ölçen akselerometre cihazına bağlanan jiroskoplar da uçağı “otomatik pilot” olarak uçurabilir.
  
• Günümüzde jiroskoplar mekanik sistemlerden daha çok elektromanyetik sistemlerle üretiliyor.
  
• Mini jiroskoplar, malzemelerdeki titreşim değişikliklerini tespit edebilecek hassasiyet ve kabiliyettedir.
  
• Dünyanın en büyük jiroskoplardan biri, “Conte di Savoia” adlı yolcu gemisinde kullanılan 30 metrelik bir jiroskoptur.
  
• Akıllı cep telefonları ve tabletlerde yön belirleme için jiroskop sensorları bulunur.
  
• Uçak ve gemilerdeki jiroskoplara “suni ufuk” veya “yapay ufuk” cihazları da denir.
  
• Rus uzay istasyonu Mir’de, güneşe göre konumunu belirlemek için 11 jiroskop bulunduğu belirtiliyor.