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1. 자이로스코프
1.1. 자이로스코프의 정의 및 원리
자이로스코프(Gyroscope)는 회전 물체의 회전 축에 대한 운동량 보존 특성을 이용한 장치이다. 자이로스코프의 원리는 회전하는 질량 중심을 중심으로 하여 두 개 이상의 회전 자유도를 가지고 있는 회전체에 있다.
회전하는 자이로스코프의 중심축은 외부의 힘에 의해 움직이려는 경향이 있지만, 회전운동의 관성에 의해 일정한 방향을 유지하려 하는 특성이 있다. 이러한 특성으로 자이로스코프는 방향 제어 및 안정화 기능을 수행할 수 있게 된다.
자이로스코프의 원리는 다음과 같다. 처음에 자이로스코프의 회전축이 수평을 이루고 있다고 가정하자. 이때 자이로스코프의 회전축에 수직한 방향으로 힘이 가해지면, 자이로스코프는 이 힘에 대해 수직한 방향으로 회전하려는 세차운동(precession)을 하게 된다. 이는 회전체의 각운동량 보존 법칙에 의한 것이다. 이 세차운동의 각속도는 가해진 힘과 자이로스코프의 각운동량의 비례하게 된다.
이렇게 자이로스코프는 외부에서 가해지는 힘에 대해 그것과 수직인 방향으로 회전하려는 특성을 가지고 있어, 방향 유지와 안정화에 사용될 수 있다. 따라서 자이로스코프는 비행기, 선박, 로켓 등의 항법장치와 스마트폰, 드론 등 전자기기의 자세 제어 등에 광범위하게 활용되고 있다.
1.2. 자이로스코프의 특성
자이로스코프의 특성은 다음과 같다.
자이로스코프는 고속으로 회전할 수 있는 회전체가 그 자체의 회전축인 로터축(rotor axis)과 이에 직교하는 수평축, 및 수직축을 각각 축으로 하여 3축의 주위를 자유롭게 회전할 수 있도록 만들어진 장치이다. 회전체의 로터축을 축으로 하여 고속으로 회전하고 있는 자이로스코프에서 나머지 2축이 마찰을 무시하고 평형상태를 정확하게 유지될 수 있다면 로터축은 어떤 방향이라도 자유롭게 가리킬 수 있으며, 이러한 상태의 자이로스코프를 프리 자이로스코프(free gyroscope)라고 한다."
자이로스코프의 3가지 주요한 특성은 다음과 같다.
첫째, 각운동량 보존 법칙(Angular momentum)에 기반하여 외력이 작용하지 않는 한 회전운동을 유지하려는 성질을 가진다."
둘째, 회전하는 물체에서 고정된 방향을 유지하는 공간강성(Rigidity in space) 특성을 가진다."
셋째, 회전하는 자이로스코프는 회전축이 기울어지는 것에 저항하는 세차운동(Precession) 특성을 가진다."
이러한 자이로스코프의 특성들은 항법장치, 안정화장치 등 다양한 분야에서 활용되고 있다.
1.3. 자이로스코프의 용도
자이로스코프의 용도는 다음과 같다.
나침반의 바늘은 지구 자석의 북쪽을 가리킨다. 하지만 지구의 진짜 북쪽은 자극의 북쪽이 아니라 자전축의 북쪽이다. 따라서 나침반의 바늘에 의존하여 항해하면 방향에 오차가 생기고, 항해 거리가 멀어질수록 오차도 커져서 전혀 다른 곳으로 가게 된다. 또한 나침반의 바늘은 주변에 자성을 가진 금속이 있어도 흔들린다. 이에 비해 자이로스코프는 "자이로컴퍼스"라고 부르기도 하며, 비행기, 배, 로켓, 유도탄 및 우주선 등이 올바른 방향으로 진행하도록 돕는 중요한 내비게이션 장치로 사용된다. 자이로컴퍼스는 지구의 정남과 정북을 축으로 하여 회전하고 있으며, 선박이나 비행기가 항해 중 바람, 파도 또는 해류에 밀려 방향이 틀어지면 회전축 방향으로만 있으려고 하는 자이로스코프의 특성을 이용하여 정해진 방향을 유지하도록 전자적으로 감지하여 수정해준다. 이를 통해 장거리를 가는 비행기나 선박이 항해 시 자동항해장치에 맡겨도 처음 입력한 방향을 벗어나지 않고 자동으로 조종할 수 있다."이처럼 자이로스코프는 방향 제어 및 안정...
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