자이로스코프 정의와 특성
자이로스코프란 공간에서 회전하는 회전자를 이용해 일정한 방향을 가리키는 장치를 말합니다. 줄여서 자이로라도 하고 회전의 라고도 합니다. 자이로스코프는 바퀴나 공 모양으로 된 회전자와 고정틀로 이루어져 있습니다. 자이로스코프는 회전자가 움직이기 시작하면 외부에서 힘을 가해도 항상 일정한 방향을 가리킵니다. 이러한 특성 때문에 비행이나 항해 계기로 널리 이용하는데, 거센 바람이나 거친 파도에서도 일정한 방향을 알려줍니다. 자이로스코프에는 공중에서 비행기 자세를 잡는 데 이용되는 것도 있고, 바다에서 배의 흔들림을 줄이는 안전장치로 사용되는 것도 있습니다. 자이로를 이용하는 자동조종장치는 사람이 조종하는 것보다 더 정확하게 비행이나 항해 항로를 조종합니다. 자이로스코프는 어뢰, 미사일, 인공위성, 우주선에도 이용됩니다. 자이로스코프의 특성을 보면 자이로스코프 회전체의 특성 때문에, 방향이 바뀌어 고정틀이 기울어져도 일정한 방향을 유지할 수 있습니다. 회전체는 모두 자이로스코프 관성을 지니고 있으며 세차운동을 합니다. 회전차 축의 방향이 바뀌지 않는 성질은 자이로스코프의 관성 때문입니다. 예를 들면 지구는 북국과 남극을 연결하는 가상의 축선을 중심으로 자전합니다. 지구가 태양 주위를 도는 공전을 해도 지구의 북쪽 축선은 자이로스코프 관성 때문에 항상 북극성을 향합니다. 자이로스코프의 회전자 축은 자이로스코프의 고정틀이 움직여도 관성 때문에 항상 같은 방향을 가리킵니다. 관성의 크기는 회전자의 무게 분포와 회전 속도에 따라 바뀝니다. 자이로스코프의 관성이 가장 클 때는 회전자의 무게 대부분이 회전자축에 집중되어 있을 때입니다. 또 회전자가 빨리 돌수록 자이로스코프 관성도 큽니다. 회전체가 회전 방향을 변화시키려는 외부의 힘에 대해 직각으로 움직이는 성질을 세차운동이라고 합니다. 자전거 바퀴를 축에 수직인 방향으로 밀면, 힘이 작용하는 방향과 직각인 앞쪽으로 굴러갑니다. 마찬가지로 회전하는 자이로스코프는 축선의 방향을 바꾸려는 힘에 대해 직각으로 움직입니다.
자이로스코프 종류
그렇다면 자이로스코프의 종류는 무엇이 있을까요? 자이로스코프에는 기계식 자이로스코프, 전기 부양 자이로스코프, 레이저 자이로스코프로 세 가지가 있습니다. 기계식 자이로스코프는 고정틀과 받침대에 회전자와 축이 달려있습니다. 2틀 자이로스코프는 회전자와 축이 짐벌이라는 둥근 고리에 달려 있고, 짐벌은 자이로스코프의 고정틀과 수직으로 움직이게 되어 있습니다. 3틀 자이로스코프는 2틀 자이로스코프의 회전자를 좌우 방향뿐만 아니라 상하 방향으로도 회전할 수 있게 또 다른 짐벌에 설치한 것입니다. 짐벌이라는 회전식 고리 2개에 회전자와 축이 연결되어 있습니다. 회전자가 좌우 방향뿐만 아니라 상하 방향으로도 회전할 수 있습니다. 자이로의 고정틀이 움직여도 짐벌은 축의 방향을 일정하게 합니다. 자이로스코프의 회전자는 전동기나 고속 공기 제트로 회전합니다. 비행기 계기에 사용되는 회전자는 지름이 5cm 이하이고 1분에 30,000번 정도 회전합니다. 자이로스코프에 사용되는 베어링은 될 수 있는 한 마찰을 줄일 수 있도록 매우 정밀해야 하는데, 마찰이 생기면 회전자의 축선이 추진 방향에서 벗어날 수 있기 때문입니다. 가장 좋은 기계식 자이로스코프에는 거의 완전한 곡선 원주와 매끄러운 볼 베어링을 사용합니다. 이런 자이로스코프들은 미세한 먼지가 들어가도 성능에 지장이 있기 때문에, 창문이 없는 특수 청정실에서 조립합니다. 또 마찰을 줄이려고 회전자를 액체에 띄우거나 얇은 고압 가스층으로 둘러싼 베어링을 이용하기도 합니다. 전기 부양 자이로스코프는 아주 정밀한 자이로스코프 중 하나입니다. 이 자이로스코프의 회전자는 베릴륨으로 만든 가벼운 공 모양입니다. 이런 회전자는 전기로 만든 진공 상태에 떠 있고, 자기력으로 회전합니다. 레이저 자이로스코프는 회전하는 회전자를 이용하지 않고 레이저를 이용한 자이로스코프입니다. 자이로스코프 안의 경로를 따라 레이저 광선 두 줄기를 서로 반대쪽으로 쏘는데, 자이로가 기울어지면 한 광선이 다른 광선보다 먼 거리를 돌아오기 때문에 도착하는 광선의 차이를 계산해 방향 변화를 알아냅니다. 좀 더 자세히 설명하면 레이저 광선 두 줄기가 삼각이나 사각 링 경로를 따라 서로 반대 방향으로 보내집니다. 처음에는 레이저 광선이 나아가는 거리가 서로 같지만 비행기가 회전하면서 자이로가 기울어지면 한 광선이 다른 광선보다 더 먼 거리를 돌게 되어 주위를 돈 다음 두 광선은 서로 다르게 도착합니다. 광선이 다르게 도착하는 정도를 컴퓨터가 측정하여 비행기의 방향 변화를 계산합니다. 오늘날 사용하는 기계식 자이로스코프와 비슷한 최초의 자이로스코프는 1810년 독일 발명가 보넨베르거가 만들었습니다. 1890년대에는 자이로스코프로 제어되는 어뢰가 최초로 개발되었고, 선박용 자이로스코프 안정장치와 비행기용 자이로스코프는 1911년에 만들어졌습니다. 전기 부양 자이로스코프는 1950년에 개발되었는데, 비행기용 전기 부양 자이로스코프는 훨씬 뒤인 1970년경에야 완성되었습니다. 1970년대 말에는 레이저 자이로스코프를 이용한 관성항법장치가 여객기에 사용되었습니다. 오늘날 과학자들은 값이 저렴하면서도 특수한 투명 광섬유로 빛을 보내는 고체 레이저 자이로스코프와 같은 새로운 자이로스코프를 개발하고 있습니다.