Um esquema da Unidade de Medição Inercial, que usa um sistema de cardan para medir a velocidade e a atitude de uma espaçonave. (Clique aqui para ampliá-la.) Cortesia da NASA Se você leu artigos como How the Apollo Spacecraft Worked, você viu o termo gimbal. Se você ainda não leu, um gimbal é uma plataforma que pode girar. O que isso significa? Nós vamos, significa que em vez de ser fixado a uma base imóvel, um objeto em um cardan pode girar ao longo de pelo menos um eixo. No mundo da aeronáutica, esses eixos são lista , tom e guinada .
É mais fácil entender o roll, incline e guarde, visualizando um objeto como um avião. Pense em uma linha imaginária que atravessa a frente do avião e sai por trás. Uma rotação ao longo desta linha resultaria em um roll - o avião começaria a fazer roll roll.
Agora imagine outra linha passando por ambas as asas do avião. Uma rotação ao longo desta linha é uma mudança no tom. O avião sobe ou mergulha, dependendo da direção do campo. Um círculo completo seria um loop-the-loop.
Finalmente, imagine uma linha vertical que sai da parte superior e inferior do avião. Este é o eixo de guinada. Girar ao longo desta linha resulta em uma mudança na direção do plano - para a direita ou para a esquerda.
Um objeto montado em três ou mais cardan pode virar em quase qualquer direção. Isso pode ser útil quando você precisa se certificar de que a orientação de um objeto em relação a uma direção específica permanece estável. Como? Vejamos um exemplo.
Imagine uma mesa de bilhar a bordo de um navio de cruzeiro. Se fosse uma mesa normal, as bolas de bilhar rolariam para frente e para trás pela superfície da mesa conforme o navio rolasse, pitch e yaw mudaram. Mas uma mesa de bilhar montada em um sistema de cardan pode se ajustar às mudanças na orientação do navio, mantendo uma superfície de jogo nivelada. De um observador a bordo do navio, pareceria que a mesa estava se inclinando de maneira incomum. Se você ficasse na mesa, pareceria que o resto do navio estava se inclinando.
Qual é a aparência de um sistema de cardan? Descubra na próxima seção.
À esquerda, você pode ver como cada cardan permite a rotação em torno de um eixo específico. À direita, você pode ver um conjunto de cardan no bloqueio do cardan. O gimbal mais interno não pode mudar de tom, a menos que alguém coloque os gimbais em outra posição. Como as coisas funcionam Embora um gimbal possa ser qualquer suporte que possa girar em torno de um eixo, a maioria dos sistemas de cardan se parece com uma série de anéis concêntricos. O anel externo é montado em uma superfície maior, como o painel de instrumentos de um barco. O próximo anel maior se conecta ao anel externo em dois pontos que são perpendiculares à montagem da superfície do anel externo. Então, o terceiro maior anel é montado no segundo maior em dois pontos perpendiculares à conexão entre o primeiro e o segundo anel, e assim por diante. Parece confuso? Dê uma olhada na ilustração a seguir.
Cada anel pode girar em torno de um eixo. Como isso é útil? Sozinho, é apenas interessante de se olhar. Mas, ao montar um objeto no centro do sistema, você pode ter certeza de que o objeto pode estar voltado para qualquer direção específica a qualquer momento.
Nós vamos, quase qualquer direção a qualquer momento. Um problema com sistemas de cardan é bloqueio do cardan . O travamento do cardan ocorre quando dois eixos em um sistema de três cardan se alinham. Quando isso acontecer, o movimento do objeto é limitado. Toda uma amplitude de movimento torna-se impossível. Isso é o que você vê à direita na ilustração acima.
O bloqueio do cardan é um problema sério. Existem duas maneiras de evitar o travamento do cardan. Um é ajustar os cardan, manobrando a superfície para que os balancins balancem em outra direção ou reconfigurando fisicamente os próprios balancins. Se o travamento do cardã ocorrer, os gimbais devem ser redefinidos para funcionar novamente. Outra solução é adicionar mais cardan ao sistema. Adicionar um quarto gimbal ajuda a eliminar o bloqueio do gimbal, mas também torna o sistema mais volumoso e complicado. Uma vez que a maioria dos cardan são parte de sistemas eletrônicos, adicionar mais complexidade nem sempre é a melhor escolha.
Gimbals permitem que os designers criem dispositivos que são mais flexíveis do que fixos, dispositivo estacionário. Também é possível orientar um dispositivo para que fique voltado para uma direção específica, independentemente de como o ambiente circundante se move ou muda. Esse aplicativo tem dezenas de usos, variando de um porta-copos que se ajusta para que você não tenha que se preocupar em derramar seu café a uma série de antenas de satélite que podem virar para enfrentar os sinais de entrada.
Então, o que isso tem a ver com a NASA? Descubra na próxima seção.
Gyre e GimbalQue tipo de dispositivos usam sistemas de cardan? Eles aparecem em todos os tipos de aplicativos, do mundano ao exótico. Aqui está uma pequena amostra:
A plataforma de cardan de múltiplos eixos da NASA é usada para testar astronautas simulando uma perigosa condição de rotação de uma espaçonave. Cortesia NASA O que os gimbais têm a ver com a NASA? A resposta se resume a isso:quase tudo. A NASA não usa apenas balancins ao projetar sistemas de navegação e painéis de instrumentos, mas também para construir simuladores de treinamento e outros componentes terrestres. Sem cardan, teria sido muito difícil para a NASA encontrar uma maneira de enviar os primeiros astronautas ao espaço com segurança.
Em missões de treinamento, A NASA usa balancins para simular situações que os astronautas encontrarão no espaço. Algumas simulações de treinamento iniciais exigiam que os astronautas colocassem um arnês e se pendurassem em um sistema cardan para simular uma caminhada no espaço. Porque os astronautas estavam em um conjunto de cardan, eles poderiam se reorientar para direções diferentes, assim como eles poderiam no espaço. Os cardan também desempenharam um papel importante em simuladores de movimento, dando às cabines do simulador um maior grau de liberdade de movimento.
O Arranjo Gimbal Extraveicular de Um Homem (OMEGA) permite que as cobaias da NASA manobrem como se estivessem em um ambiente de gravidade zero. Cortesia NASA A NASA usava balancins nas primeiras espaçonaves para tudo, desde instrumentos até sistemas de propulsão. Em sistemas de navegação, os cardan são úteis para determinar e alterar a orientação de uma espaçonave em relação a outra coisa, como a Terra ou uma estação espacial. Os cardan também são úteis para componentes como painéis solares. Montado em um sistema de cardan, os painéis podem inclinar e girar para ficar de frente para o sol, mesmo quando a orientação da espaçonave muda.
Um dos instrumentos de espaçonave mais importantes da NASA é o unidade de medição inercial ( IMU ) Uma IMU mede as mudanças no tom, roll e yaw, bem como aceleração. O IMU contém acelerômetros e giroscópios para monitorar mudanças na espaçonave velocidade e atitude . Para as missões Gemini, A NASA usou um sistema de quatro cardan. Mas para as missões Apollo, A NASA decidiu ir com um sistema de três cardan. Isso porque os engenheiros temiam perder seu objetivo de pousar um homem na Lua antes de 1970 se esperassem para aperfeiçoar um sistema de quatro cardan. Como a espaçonave Apollo IMU usava apenas três cardan, os astronautas tiveram que ficar alertas e realinhar a espaçonave para evitar o travamento do cardan.
A NASA também usou balancins ao construir os sistemas de propulsão para espaçonaves. Um motor de foguete fixo ou propulsor só seria capaz de fornecer empuxo em uma única direção. Montado em cardan, a mesma unidade de propulsão pode se inclinar para fornecer empuxo em diferentes direções. Isso é crítico sempre que uma espaçonave deve se alinhar com outro corpo, seja outra espaçonave, um planeta ou a lua.
É incrível pensar que uma série simples de anéis interconectados possibilitou à NASA enviar uma espaçonave tripulada à lua. Sem cardan, não podíamos navegar ou viajar no espaço com precisão.
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Gêmeos x ApoloAs missões Gemini precederam as missões Apollo. Mas a espaçonave Gemini usou uma IMU montada em um sistema de quatro cardan, e a espaçonave Apollo teve que contar com um sistema de três cardan. Por que é que? Embora as missões Gemini tenham sido lançadas antes das Apollo, O Projeto Apollo realmente começou antes do Projeto Gemini. Os engenheiros da Gemini poderiam tirar proveito dos projetos da espaçonave Apollo e aprimorá-los ao construir a espaçonave Gemini.
