Gyrofysik – Niels Bohr Institutet - Københavns Universitet

09. oktober 2008

Gyrofysik

Hej Spørg om Fysik
Jeg tillader mig at kontakte dig på din personlige mailadresse med et spørgsmål, jeg uden held har forsøgt at sende til "Spørg om fysik". Spørgsmålet lyder som følger:

Vi er en gruppe kørelærere, der har brug for lidt hjælp til at forstå gyrokraftens indvirkning på motorcyklers køredynamik. Som bekendt er det den gyrokraft der opstår når motorcyklens hjul roterer, der gør det muligt at holde balancen under kørslen. Samme gyrokraft gør det også vanskeligt at hælde til højre eller venstre under svingning.

For nemmere at kunne få motorcyklen til at hælde mod højre eller venstre kan man anvende kontrastyring, hvor man påvirker styretøjet en anelse til den modsatte side af den ønskede drejning. Herved anvender man gyroens modvilje mod at andre tilstand, og den deraf afledte reaktion til at nemt at styre motorcyklen.

Spørgsmålet som vi har svært ved at få belyst er hvorfor en motorcykel, der bremser eller accelererer eller bremser under svingning, har tendens til at rejse sig til lodret. En påstår det også er gyrokraften der virker her. I den forbindelse har vi også diskuteret om gyrokraften også er tilstede i vægtløs tilstand, altså i det tomme rum. Ikke at vi har tænkt os at køre motorcykel der, men for at forstå samspillet mellem gyrokraft og tyngdekraft.

Med venlig hilsen
L M

Den fuldstændige forklaring af gyroskopet indeholder desværre en del vanskelig matematik, men lad mig forsøge at forklare principperne med almindelige ord.

Ethvert roterende legeme som ikke er påvirket af kræfter, søger at bevare retningen af rotationsaksen. Påvirkes det af en kraft i rotationsaksens retning, har kraften ikke nogen speciel virkning (anden at den kan flytte legemet, men der er ikke noget, som vedkommer rotationen). Det ændrer ikke det roterende legemes orientering eller dets rotationshastighed. Påvirkes det af et kraftmoment (et kraftmoment en et forsøg på at dreje noget, ikke at skubbe det) vinkelret på akseretningen, kommer den et kraftmoment (et kraftmoment er noget der søger at dreje et legeme, ikke at flytte det), der er vinkelret på aksen, og vinkelret på den oprindelige kraft. Effekten bliver større ved høj rotationshastighed eller hvis hjulet er tungt især yderst.

Et vandret roterende hjul set fra den side, hvor det løber imod uret vil, hvis man forsøger at dreje den aksel, der vender imod en selv til højre, søge at dreje sig så akslen, der vender imod iagttageren, drejer opad. Drejer hjulet med uret vil det tilsvarende søge at dreje nedad.

Gyroen dvs. hjulenes rotation vil altså søge at modsætte sig en drejning af akslen, derfor er det lidt svært at lægge motorcykler ned i svingene. Hjulene har en stivhed og modsætter sig at blive drejet. Når man bruger kontrastyring, sker der det, at der er gnidningen imellem dæk og gade, og det  giver et kraftmoment, som søger at dreje motorcyklen ned modsat retningen, man vipper altså lægger cyklen til den "rigtige" side, som man ønsker. Det er også det man udnytter i løb på grusbaner, hvor man drejer kontra det meste af tiden.

Bremser man eller giver man gas på et tidspunkt, hvor motorcyklen ligger skråt, får man igen et kraftmoment, som enten går op eller ned afhængigt af hvad situationen er. Er dækkene tunge nok og har hjulene fart nok på, kan cyklen stejle, eller man kan miste styringen.

Gyrokraften virker fint i vægtløs tilstand f.eks. ved jordomkredsninger

Det er en af de måder, man kan stabilisere eller orientere små rumskibe, hvis man ønsker det. Orienteringen korrigeres dog normalt ved at gyroerne styrer dyser hvor man trykker gas ud, men for små rumfartøjer kan gyroerne direkte bestemme orienteringen. Både rumteleskopet og den internationale rumstations orientering fastholdes på denne måde. Fænomenet kaldes snurrestivhed, og kan mærkes, hvis man holder et roterende cykelhjul i hænderne, og søger at dreje det. Snurrestivheden har også været brugt til at mindske skibes slingren i søgang på større passagerskibe.

Gyroer har også været brugt til styring af torpedoer, De blev i mange år blevet startet og holdt i gang af den trykluft, som også drev torpedoerne. Gyroer har været brugt til styring og stabilisering af de fleste raketter, og har været brugt til det siden de tyske ubemandede våben (V1 og V2) under 2. Verdenskrig. Det er også nogen af gyroens egenskaber der udnyttes i kunstig horisont i fly og gyrokompasser i fly og på skibe. Endelig har gyroer været udnyttet i inertinavigation dvs. atomubådes navigation uden at komme til overfladen. Her får besætningen at vide, hvor de er, fra en computer koblet til en række gyroer.

Med venlig hilsen
Malte Olsen