تستخدم العديد من الحساسات المختلفة لتحديد موضع واتجاه الكائن، وأكثر هذه الحساسات شيوعًا هو المدوار ومقياس التسارع. بالرغم من أنهما متشابهان في الغرض، إلا أنهما يقيسان أشياء مختلفة، وبإمكانهما توليد مصفوفة ضخمة من المعلومات من خلال دمجهما سويًا.
ما هو المدوار ؟
المدوار هو جهاز يحدد الاتجاه بواسطة الجاذبية الأرضية، يتكون من قرص دوار حر الحركة يسمى الدوار، مثبت على محور دوار في مركز عجلة أكبر وأكثر استقرارًا، وبدوران المحور يظل الدوار ثابتًا ويشير إلى قوة سحب الجاذبية المركزية، وهكذا دواليك.
أحد المدوارات الشائعة تُصنع عن طريق تعليق دوار كبير نسبيًا داخل ثلاث دوارات تسمى جيمبالز (gimbals)، ووفقًا لدراسة صادرة عن جامعة جورجيا يمكن تطبيق عزم دوران بسيط على الدوار المجوف بتثبيت هذه الدوارات على أسطح ذات جودة عالية.
اخترع عالم الفيزياء الفرنسي جان بيرنارد ليون فوكو المدوار الأول في القرن التاسع عشر. ولم تظهر النسخة القابلة للعمل والتطبيق حتى العام 1908 على يد المخترع الألماني هيرمان آنشوتز كيمبف (H. Anschütz-Kaempfe)، ووفقًا لموسوعة بريتانيكا. تم اختراع أول مدوار لاستخدامه في المضخة الغاطسة، وفي عام 1909 تم استخدامه في الطيار الآلي.
ما هو مقياس التسارع؟
مقياس التسارع هو جهاز صغير الحجم صُمم لحساب مقدار التسارع غير المتعلق بالجاذبية. عندما يوضع داخل أحد الأجسام ينتقل المؤشر من حالة السكون إلى سرعة معينة، مقياس التسارع مُصمم للاستجابة إلى الاهتزازات المُرتبطة بهذه الحركة.
الجهاز يحتوي بلورات صغيرة جدًا تتعرض للضغط عندما تنشأ الاهتزازات ومن هذا الضغط يتولد تيار كهربائي فيؤدي إلى ظهور القراءة. أجهزة قياس التسارع مهمة للأجهزة التي تُراقب الصحة ويدخل في الحسابات الأخرى المتعلقة بالحركة الذاتية.
أول مقياس للتسارع سُمي آلة آتوود اخترعها الفيزيائي الإنجليزي جورج آتوود في العام 1783 وفقًا لكتاب بارتكل ميمز للكاتب فيل كاجكاري.
ما الفرق بين المدوار ومقياس التسارع؟
الفرق بين الجهازين بسيط في الواقع.
الأول يستطيع استشعار وتحديد مقدار الدوران بينما الثاني لا يستطيع.
مقياس التسارع بإمكانه حساب اتجاه جسم عندما يكون ثابتًا بالنسبة لسطح الأرض ويتسارع في اتجاه معين، ولكنه غير قادر على التمييز بين التسارع المذكور والتسارع الناتج عن الجاذبية الأرضية وبالتالي فإن استخدامه في طائرة ليس بالشيء المفيد جدًا لأنه يفقد الكثير من فاعليته في هذه الحالة.
أما المدوار يستطيع المحافظة على فعاليته وقدرته على حساب معدل الدوران حول محور معين. عند قياس معدل الدوران حول محور الطائرة الدائري، فهو يحدد القيمة الحقيقية حتى يثبت الجسم باستخدام المبادئ الأساسية للعزم الزاوي، المدوار يساعد على تحديد الجهة بالمقارنة مع مقياس التسارع الذي يقوم بحساب التسارع الخطي بالاعتماد على الاهتزاز.
مقياس التسارع النموذجي ثنائي المحور يزود المستخدم بمعلومات عن اتجاه الجاذبية ويوجد في الطائرة والهاتف الذكي والسيارة وأجهزة أخرى. بالمقارنة مع المدوار الذي يهدف إلى تحديد مقدار الزاوية اعتمادًا على مبدأ الصلابة في الفراغ، تختلف استخدامات الجهازين بشكل كبير على الرغم من غرضهما المتماثل.
على سبيل المثال يستخدم المدوار في الملاحة في الطائرات من دون طيار وفي البوصلة وفي القوارب الضخمة ما يساعد في الاستقراء أثناء الملاحة، أما مقياس التسارع فينتشر استعماله ويوجد في الهندسة والميكانيك ومراقبة العتاد والبناء والمراقبة الهيكلية والملاحة والنقل والأجهزة الإلكترونية.
ظهور مقياس التسارع في سوق الإلكترونيات وإدخاله في الأجهزة الشائعة مثل آيفون الذي استُخدم فيه كبرنامج البوصلة في الجهاز أدى إلى انتشاره في مجالات البرمجة كأداة لتحديد اتجاه الشاشة، أو كبوصلة، وأداة لإجراء عمليات التراجع عن طريق هز الهاتف الذكي. في السنوات الأخيرة، انتشرت تطبيقات مقياس التسارع في سوق الإلكترونيات ووصلت الآن الحواسيب المحمولة.
الحساسات المستخدمة
يظهر الاختلاف بين هذه الحساسات في التطبيق العملي. يستخدم مقياس التسارع لقياس التسارع، وعلى الرغم من أن مقياس التسارع ذا المحاور الثلاث يمكنه تحديد اتجاه الجسم بالنسبة لسطح الأرض، بمجرد تحركه تصبح قراءة المقياس أكثر تعقيدًا وصعوبة.
على سبيل المثال في السقوط الحر يُظهر المقياس أن التسارع يساوي الصفر وفي الطائرات عندما تقوم الطائرة بالانحراف إلى الزاوية 60 درجة يقوم المقياس بتسجيل تسارع رأسي ثنائي الاتجاه ويقوم بتجاهل الميل بشكل تام.
الخلاصة: لا يستطيع هذا المقياس وحده المحافظة على اتجاه الطائرة بشكل صحيح، ويستخدم مقياس التسارع في مجموعة متنوعة من الأجهزة الإلكترونية. على سبيل المثال، من أوائل الهواتف الذكية التي استعملته هو جهاز آيفون 3GS من آبل مع إدخال العديد من الميزات مثل البوصلة وهز أو رج الجهاز للقيام بالتراجع وفقًا لوايرد.
يُستخدم المدوار في الطائرات لتحديد معدل الدوران حول محور دوران الطائرة أثناء قيامها بعملية الدوران، فيقيس القيم غير الصفرية حتى تتوازن لتحديد جهة الهبوط. أوضح مثال على قراءة المدوار هو مؤشر الارتفاع في الطائرات ويتم تمثيله بواسطة شاشة دائرية مقسومة إلى نصفين، النصف العلوي باللون الأزرق للإشارة إلى السماء والنصف السفلي باللون الأحمر للإشارة إلى الأرض، فإذا انعطفت الطائرة يبقى اتجاه الشاشة مشيرًا إلى الاتجاه الفعلي للأرض. في النهاية الهدف من الاستخدام يحدد نوع العملية في كل جهاز مستخدم.
تحتوي الكثير من الأجهزة كلا الحساسين على الرغم من أن الكثير منها يعتمد على واحد فقط ولكن كلا الجهازين يقدم معلومات مختلفة.
اقرأ أيضًا:
ويليام هاملتون و الميكانيك الهاملتوني
ترجمة: مصطفى الزعبي
تدقيق: عبدالرحمن بن خليفة
مراجعة: رزان حميدة
