Potęga żyroskopu: to dzięki niemu działa robot BB‑8, Segway i stacja kosmiczna

Zastanawialiście się kiedyś, jak to się dzieje, że stojący rower szybko się przewraca, a rozpędzony trzyma pion prawie tak długo, jak długo jedzie? Przygotowując się do napisania tego artykułu miałem w głowie gotową tezę: rower stabilizowany jest balansem ciała użytkownika (co sprytniejsi potrafią dzięki temu trzymać pion na nieruchomym rowerze), a przede wszystkim przez efekt żyroskopowy, który jest tak silny, że nie trzeba człowieka, by rozpędzony rower jechał nie przewracając się.

Niestety, rzeczywistość okazała się znacznie bardziej skomplikowana. Wbrew pozorom wpływ efektu żyroskopowego na stabilność roweru jest znacznie mniejszy, niż się powszechnie uważa. Znacznie większe znaczenie ma za to m.in. geometria roweru – długość i kształt poszczególnych części i kąty, pod jakimi są połączone. Wystarczy np. trochę zmienić kształt widelca, by rower stał się tak stabilny, że trudno byłoby nim skręcić.

Ponieważ rower nie nadaje się na przykład, musiałem poszukać innego. Zacznijmy jednak od tego, czym jest efekt żyroskopowy? Zjawisko to, choć było wykorzystywane od starożytności, zostało opisane po raz pierwszy w 1852 roku przez Jeana Foucaulta i polega na tym, że wirujący obiekt stabilizuje swoją oś obrotu.

Doskonałym przykładem, który pokazuje, jak to działa w praktyce, jest znana od tysiącleci dziecięca zabawka, czyli bąk, który po wprawieniu w ruch wirowy nie przewraca się tak długo, jak długo szybko wiruje. Stabilność takiej zabawki jest bardzo duża – nawet gdy uderzymy ją z boku, powodując mocne wychylenie bąk po chwili i tak wróci do pionu.

Z powodzeniem wykorzystują to twórcy różnych zabawek. W ostatnich tygodniach furorę robi replika robota BB-8 z najnowszych „Gwiezdnych wojen”. Występująca w filmie maszyna wygląda jak półkula postawiona na kuli i o ile na kinowym ekranie za jej istnienie odpowiadają komputerowe efekty specjalne, to w przypadku zabawki trzeba było zastosować inną metodę.

Jak to możliwe, że robot, który powinien się przewrócić utrzymuje równowagę? W najmniejszych modelach odpowiada za to nisko umieszczony środek ciężkości (jak w zabawkach typu Wańka-wstańka), ale te większe, uczestniczące w pokazach kryją w sobie najprawdopodobniej wirujący dysk, który stabilizuje zabawkę, pozwalając jej trzymać pion zarówno gdy stoi nieruchomo, jak i w czasie jazdy.

Podobny mechanizm znajdziemy w trochę większym gadżecie, który – na pozór – również powinien natychmiast się przewrócić. Chodzi o Segwaya, czyli pojazd składający się z niewielkiej platformy, umieszczonej na dwóch kołach z jedną osią obrotu. Logika podpowiada, że stający na takiej platformie człowiek powinien – o ile nie jest mistrzem balansu – przechylić się do przodu lub tyłu i upaść.

Nic takiego się nie dzieje. Urządzenie cały czas sprawdza swoją pozycję i kompensuje ryzykowne wychylenia, cały czas utrzymując koła w ruchu, choć dla człowieka są to ruchy tak szybkie i niewielkie,że trudne do dostrzeżenia. Dzięki temu Segway jest niemal niewywrotny i pozwala na jazdę nie tylko po płaskiej powierzchni, ale również po różnych nierównościach czy niewielkich przeszkodach. Oczywiście zdarzają się użytkownicy, którzy potrafią przechytrzyć maszynę i zrobić sobie jakąś krzywdę, ale wymaga to albo wyjątkowego pecha, albo wyjątkowych starań.

Efekt żyroskopowy znajduje zastosowanie również we większych urządzeniach. Od lat producenci pojazdów prezentują dość futurystyczne koncepcje i prototypy – odpowiedniki współczesnych samochodów, które zamiast na czterech, poruszają się na dwóch kolach, dzięki czemu zajmują mniej miejsca czy sprawiają mniej problemów z parkowaniem.

Z pozoru to nie najlepszy pomysł – wie o tym każdy, kto miał do czynienia z ciężkim motocyklem: bezpieczne manewrowanie taką maszyną wymaga wprawy i umiejętności. Z pomocą przychodzi jednak znany nam żyroskop. To dzięki niemu dwukołowe pojazdy przypominające motocykl, potrafią bezpiecznie, stabilnie stać bez żadnego podparcia nawet wówczas, gdy się nie poruszają, zapewniając bezpieczny środek transportu nawet niedoświadczonym użytkownikom.

Co ciekawe, choć takie rozwiązanie może wydawać się bardzo nowatorskie, nie jest niczym nowym. Pomysł ten wykorzystał już w 1961 roku Ford, który na targach w Detroit Motor Show pokazał koncepcyjny, bardzo – jak na swój czas – futurystyczny model dwukołowego samochodu o nazwie Ford Gyron.

Podobne wynalazki spotkamy nawet w znacznie odleglejszej przeszłości. Przykładem może być znany Czytelnikom Gadżetomanii Gyrocar – niezwykły samochód, skonstruowany przez rosyjskiego urzędnika, Piotra Szyłowskiego w 1912 roku (więcej na jego temat przeczytacie w artykule „Gyrocar. Najdziwniejszy samochód świata powstał w Rosji. Miał tylko dwa koła!”). Doceniając zalety takich pojazdów warto jednak pamiętać, że stoją one stabilnie tak długo, jak długo napędzany jest żyroskop, dlatego np. do długotrwałego postoju konieczna jest jakaś podpora.

Do czego jeszcze może przydać się żyroskop? Zastanawialiście się kiedyś, jak manewruje Międzynarodowa Stacja Kosmiczna? To wielki obiekt o długości około 73metrów,ważący niemal 420 ton, którego położenie trzeba czasem zmienić. Stacja jest oczywiście wyposażona w silniki manewrowe, jednak są one uruchamiane na tyle rzadko (przede wszystkim do podwyższenia orbity), że stanowi to dla załogi sporą atrakcję – poniższy film pokazuje, jak astronauci bawią się przy tej okazji.

Częste używanie silników byłoby jednak nieekonomiczne – paliwo trzeba przecież dostarczyć z Ziemi, a loty transportowe są rzadkie i drogie. Rozwiązaniem okazał się właśnie żyroskop.

Na stacji umieszczono początkowo dwa, a po dołączeniu kolejnych modułów cztery takie urządzenia. Są to 100-kilogramowe (niektóre źródła podają 220 kg) dyski, wirujące z prędkością 6600 obrotów na minutę (rozpędzenie ich do tej prędkości zajmuje 8 godzin). W razie potrzeby poprzez częściowe wyhamowanie dysku lub dysków można zmienić położenie 420-tonowej stacji, o czym opowiada kanadyjski astronauta Chris Chadfield:

Podobne rozwiązanie jest używane również w satelitach – w przypadku urządzeń, gdzie kluczowa jest ich stabilna pozycja w przestrzeni, używa się tzw. kół reakcyjnych. To właśnie awaria dwóch z czterech takich kół sprawiła, że sprawny technicznie Teleskop Kosmiczny Kepler nie mógł dalej pełnić swojej misji, która musiała zostać przeprojektowana i dostosowana do nowej sytuacji.

Świetną prezentacją tego, jak wielkie są możliwości efektu żyroskopowego jest kostka Cubli, którą – jak sądzę – wielu wielbicieli gadżetów chciałoby znaleźć pod choinką. Zbudowana na Politechnice Federalnej w Zurychu Cubli wygląda dość niepozornie. Kilkucentymetrowa, ażurowa konstrukcja kryje w sobie m.in. źródło zasilania, silniki oraz trzy wirujące dyski.

Ich umiejętne wykorzystanie daje jednak Cubli niesamowite możliwości: kostka potrafi skakać, przemieszcza się albo balansować na krawędzi. Wszystko to jest możliwe właśnie dzięki sterowaniu pracą wirujących dysków. Do czego może się to przydać w praktyce?

Poza wspomnianymi wyżej przykładami, gdy nieco puścimy wodze fantazji łatwo możemy wyobrazić sobie np. stanowiące część Internetu Rzeczy, inteligentne moduły. Odpowiedniki dzisiejszych cegieł dzięki wbudowanym żyroskopom będą w stanie samodzielnie, bez udziału człowieka, układać się w większe obiekty, jak ściany czy całe budynki, dopasowując przestrzeń do naszych aktualnych potrzeb. Brzmi jak odległa przyszłość? Być może, ale technologia, która na to pozwala, jak widać już istnieje.