Kas ir Gimbal Lock?

Pirmo reizi literatūrā žiroskopi tika apspriesti 18. gadsimtā, bet praktiskie instrumenti 19. gadsimtā būvētiem kuģiem. Elmers Sperijs 20. gadsimta sākumā uzbūvēja pirmo žiroskopu gaisa kuģu autopilota vadībai. Navigācijai žiroskopu izmantošanas priekšrocība ir tāda, ka rotējošais žiroskopa ritenis saglabā vienmērīgu orientāciju neatkarīgi no kuģa vai lidmašīnas kustības. Žiroskopa savienošana ar instrumentiem var nodrošināt “mākslīgu horizontu” vai instrumenta līmeņa skatu pat vētras laikā jūrā vai gaisa kuģu turbulenci.

Visus objektus telpā var aprakstīt ar trīs leņķu kombināciju, ko nosaka ar matemātisku formulu, ko sauc par Eilera leņķiem. Šos trīs leņķus bieži apraksta ar terminiem x-, y- un z-ass. Tiek uzskatīts, ka ierīcei ir trīs brīvības pakāpes, kad tā var pagriezties uz augšu vai uz leju, pa kreisi vai pa labi un iekšā vai ārā. Žiroskopi, kas uzstādīti trīs būros, katrs griežas vienā no trim leņķiem, teorētiski var pagriezties jebkurā navigācijai vajadzīgajā virzienā.

Kardāna bloķēšanas efektu var redzēt žiroskopā, bet tas var rasties mazāk sarežģītās ierīcēs. Piemēram, skatītājs, kurš ar teleskopu izseko satelītu virs galvas, sasniegs punktu, kur teleskops ir vērsts taisni uz augšu. Šajā brīdī skatītājs pagriež teleskopu par 180° un var turpināt izsekot satelītam, kad tas virzās uz horizontu pretējā virzienā.

Gimbal bloķēšana notiek, ja izsekojamais objekts, piemēram, lidmašīna, pārvietojas virs galvas un pēc tam maina virzienu par 90° un attālinās. Tajā brīdī teleskops nevar pagriezties uz sāniem, jo ​​stiprinājumi vai kardāni neļauj kustēties šajā virzienā. Lai novērstu problēmu, instruments ir jāpagriež vai jāpagriež uz tā pamata stiprinājuma.

Cilvēki var pielāgoties šīm situācijām, jo ​​viņi var atpazīt, ka teleskops nevar turpināt izsekot lidaparātam, ja vien teleskops nav pagriezts par 90°. Problēma ir tā, ka bieži vien objekta izsekošana tiek zaudēta, līdz skatītājs to atkal var atrast teleskopa okulārā. Tas var notikt arī ar radara antenām, ko izmanto, lai izsekotu gaisa kuģiem, kas pagriežas, atrodoties virs antenas. Datora programmatūra ir jāraksta, lai kompensētu izsekošanas zudumu kardāna bloķēšanas dēļ.

Žiroskopos ir vairāki leņķi, kuros kardāna bloķēšana var notikt, kad būri sakrīt vienā rindā, neļaujot žiroskopam pagriezties. Tāpat kā teleskopa piemērā, žiroskopam tagad ir liegta brīva kustība, un tiek teikts, ka tas ir “žirobloķēts”. Lidmašīnas, kas veic akrobātiku vai pagriežas un griežas neparastos virzienos, var izraisīt šādu rīcību savos navigācijas instrumentos. Piloti, kas veic šos manevrus, bieži manuāli bloķē žiroskopa instrumentus pirms aerobātikas, lai novērstu kardāna bloķēšanu un žiroskopu slodzi.

Kosmosa kuģu navigācija izmanto žiroskopus, lai uzturētu zināmu atskaites punktu. Kosmosā nav horizonta, un atrašanās vieta ir jānosaka pēc tās atrašanās vietas attiecībā pret konkrētām zvaigznēm, ko sauc par debesu navigāciju. Kad kosmosa kuģis gāžas vai maina virzienu, žiroskopi, kas saglabā “līmeņa” orientāciju, var nobloķēties un izraisīt atskaites zudumu.

Astronautiem bija vizuāli jāatsaucas uz navigācijas zvaigznēm un jāatiestata žiroskops, lai novērstu navigācijas kļūdas. Viens veids, kā problēma tika atrisināta, bija pievienot ceturto brīvības pakāpi, citu būru, kas tika uzstādīts atšķirīgā orientācijā vai leņķī no citiem būriem. Tas nodrošināja kustību pat tad, ja divi būri bija bloķēti, tādējādi ļaujot instrumentam turpināt navigāciju.