Sep 12, 2012

Gegasing


Pendahuluan

Gegasing (English-gyroscope) ialah sejenis perkakasan yang digunakan bagi mengekalkan kedudukan suatu objek dalam ruang tiga matra (English-three dimensional space).

Contoh gegasing ialah seperti yang ditunjukkan dalam gambar di bawah:


Sumber: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/imgmec/gyro.gif

Untuk memahami bagaimana gegasing berfungsi, kita perlu terlebih dahulu memahami bagaimana gasing berfungsi. Ini kerana gasing ialah bahagian utama yang membolehkan gegasing menjalankan fungsi utamanya, iaitu mengekalkan kedudukan objek.

Gasing ialah sejenis permainan yang terkenal dalam masyarakat Melayu dan telah sebahagian dari budayanya.

Sebelum gasing dimanfaatkan di dalam gegasing, masyarakat Melayu telah menyedari bahawa gasing yang berputar ligat akan berdiri tegak dan kekal pada kedudukan tersebut selagimana ia berada pada kelajuan putaran tertentu, dan jatuh ketika ia berhenti berputar.


Sumber: http://1.bp.blogspot.com/_xdM1aq9QCyI/TD7q02XxJWI/AAAAAAAAACM/1oZwzX3AenQ/s320/gasing20080428wk4.jpg


Sumber:
http://farm4.static.flickr.com/3580/3656148480_4310192a6a.jpg
Gasing yang berputar ligat akan berdiri tegak.

Fenomena gasing yang tegak apabila berputar ini menjadi perkara biasa, bahkan ia menjadi unsur dalam budaya Melayu kerana sudah lama diketahui.

Namun begitu, meskipun ia nampak terlalu biasa dan normal dan tidak perlu diperbincangkan secara terperinci , sebenarnya tidak ramai yang tahu mengapa dan bagaimana ia berlaku. Sedangkan di sebalik fenomena yang mudah dan dianggap remeh inilah tersirat salah satu dari pelbagai prinsip-prinsip asas fizik yang menarik, yang pada masa kini digunakan bagi membantu menstabilkan kedudukan satelit dan kapal terbang ketika menerawang ruang angkasaraya, dan membolehkan layar telefon pintar anda diperbetulkan meskipun anda memutarkannya pada mana-mana arah.

Justeru untuk rencana pada kali ini, penulis akan menerangkan mengenai gegasing atau giroskop dan bagaimana ia berfungsi serta manfaatnya dalam kehidupan seharian.

Bagaimana gasing yang berputar boleh berdiri tegak?

Jika gasing diputarkan dengan perlahan, kita boleh menumbangkannya dari kedudukan tegak dengan mengenakan hanya sedikit daya.

Namun jika ia berputar dengan lebih laju, maka semakin besar daya yang perlu dikenakan ke atas gasing untuk menumbangkannya dari kedudukan tegak.

Ini kerana semakin laju putaran gasing, semakin kukuh kedudukannya semasa ia berdiri dan semakin sukar untuk ia ditumbangkan.

Keupayaan yang membolehkan gasing berdiri tegak ketika ia berputar ialah sejenis momentum yang dinamakan momentum putar (English-angular momentum).

Momentum putar wujud pada semua jasad yang berputar pada satu-satu paksi. Matahari, bulan dan bumi juga memiliki momentum putar masing-masing disebabkan putaran mereka pada paksi masing-masing.

Momentum putar memiliki tiga komponen utama; iaitu jisim, jejari dari pusat putaran dan laju putaran. Momentum putar ialah hasil darab vektor ketiga-tiga komponen ini.


di mana L=momentum putar, m=jisim gasing, r=jejari gasing, v=halaju putaran

Jika gasing diperbuat daripada bahan yang berat, maka ia akan memiliki momentum putar yang tinggi pada laju putaran yang rendah. Maka ia mudah ditegakkan meskipun dengan hanya dikenakan daya yang kecil.

Gasing piring memiliki berat yang lebih besar berbanding gasing bujur. Selain itu, gasing piring juga memiliki jejari yang lebih besar. Maka ia memiliki momentum putar yang tinggi pada laju putaran yang rendah dan lebih mudah ditegakkan di atas tanah.


Sumber: http://gasingindonesia.files.wordpress.com/2009/03/7.jpg?w=300&h=219
Sumber : http://1.bp.blogspot.com/__3ePfASOlas/TL6X2EjJddI/AAAAAAAAADo/JyRib3UQqmw/s1600/Gasing+jantung.jpg
Gasing piring (atas) memiliki jejari yang lebih besar berbanding gasing jantung.

Bingkai putar (English-gimbal)

Kebolehan gasing mengekalkan kedudukan tegaknya dalam ruang semasa ia berputar ligat, membolehkan ia digunakan sebagai penetap kedudukan suatu objek dalam ruang.

Untuk tujuan tersebut, satu kaedah diperlukan bagi melekapkan gasing pada satu objek (objek yang ingin dikekalkan kedudukannya dalam ruang) namun membiarkan ia berputar bebas tanpa objek tersebut mengganggu putaran gasing. Maka di sini bingkai putar diperlukan.

Bingkai putar (English-gimbal) dibina daripada tiga gelang, masing-masing dibenarkan berputar pada tiga paksi utama putaran dalam ruang tiga matra (English-three dimensional space), di mana paksi-paksi ini biasanya dinamakan paksi x, y dan paksi z dan berserenjang antara satu sama lain. Gasing akan dilekapkan pada gelang yang paling dalam pada bingkai putar.


Sumber: http://around-the-corner.typepad.com/.a/6a0163057a21c8970d017743e0b713970d-800wi
Rajah menunjukkan bingkai putar tanpa gasing di dalamnya. Jika paksi anggul (English-pitch axis) ialah paksi X, maka paksi guling (English-roll axis) ialah paksi Y, dan paksi rewang (English-yaw axis) ialah paksi Z (mengikut urutan jam). Untuk menghasilkan sebuah gegasing, gelang paling dalam (gelang biru) digantingkan dengan sebuah gasing seperti rajah di bawah:


Sumber: http://images.yourdictionary.com/images/main/A4gimbal.jpg

Apabila gasing dibiarkan berputar di dalam sebuah bingkai putar, bingkai putar tersebut boleh digerakkan ke mana-mana arah tanpa mengubah kedudukan gasing yang sedang berputar dan gelang yang memegangnya. Ini kerana gasing yang berputar akan mengekalkan kedudukannya dalam ruang akibat dari tindakan momentum putar.


Dalam video di atas, kelihatan gasing turut sama berpusing. Jika kita menetapkan gasing tersebut pada satu kedudukan, sebenarnya hanya gelang-gelang tersebut yang berpusing sedangkan gasing tetap berada pada kedudukan yang sama.

Gabungan gasing dan bingkai putar sebagai satu set perkakas ini dinamakan gegasing (English-gyroscope).

Sebarang objek yang ingin dikekalkan kedudukannya dalam ruang akan dilekapkan pada luar bingkai putar dan gasing akan dibiarkan berputar pada bahagian teras bingkai putar (dan dipegang oleh bingkai putar yang paling dalam) menggunakan tenaga elektrik atau medan magnet.

Gasing akan mengekalkan gelang yang memegangnya pada satu-satu kedudukan dalam ruang akibat dari momentum putar, sementara dua lagi gelang boleh diputarkan ke mana-mana arah tanpa mengganggu kedudukan asal gasing di terasnya, dan dilekapkan pada objek yang ingin dikekalkan kedudukannya seperti helikopter dan kapal terbang.

Katakan kita ingin mengekalkan helikopter pada satu-satu kedudukan ketika ia terbang di udara. maka kita melekapkan helikopter ini pada gelang luar dalam bingkai putar sebuah gegasing. Katakan, dalam sebuah penerbangan, helikopter terbang sedikit condong akibat perlanggaran dengan molekul udara yang tebal.

Gelang luar pada gegasing akan ikut sama mencondong, sementara gelang paling dalam akan kekal pada kedudukan asal akibat dari momentum putar gasing yang dipegangnya yang sedang berputar ligat.

Dari itu, belokan helikopter menyebabkan berlaku sedikit sisihan antara gelang luar dan gelang dalam pada bingkai putar gegasing. Sisihan ini diukur menggunakan sejenis pengesan elektronik, menggunakan kaedah pengukuran kemuatan (English-capacitance) atau kearuhan (English-inductance), kemudian menghasilkan isyarat elektrik untuk dihantar ke kipas belakang helikopter.

Kipas belakang helikopter akan berputar bagi membetulkan kembali kedudukan helikopter yang tercondong, ke kedudukan asal. Arah pembetulan ialah berdasarkan isyarat elektrik yang diterima, yang bergantung kepada keadaan sisihan di dalam gegasing.

Prinsip yang sama digunakan pada pesawat penumpang (English-passenger jet), di mana isyarat dari gegasing akan dihantar ke pengawal sayap pesawat atau enjin jetnya bagi membetulkan kedudukan pesawat yang mungkin tercondong akibat dari udara yang tebal dan sebagainya.

Contoh aplikasi gegasing

Gegasing pada zaman moden wujud dalam pelbagai bentuk namun masih memiliki persamaan fungsi dan cara kerja. Gegasing yang wujud dalam Iphone dan kebanyakan telefon pintar digunakan bagi menyelaras kedudukan layar ketika badan telefon pintar ini diputarkan. Gegasing ini amat kecil dan prinsip kerjanya adalah sedikit berbeza berbanding gegasing yang dibincangkan di atas.

Gegasing dalam telefon pintar ialah sejenis gegasing yang dinamakan gegasing getaran jasad (English-vibrating structure gyroscope) di mana ia menggunakan objek yang digantungkan menggunakan spring di dalam sebuah ruang pengesan (English-sensor). Ini bermakna dalam gegasing jenis ini, gasing atau teras berputar digantikan dengan teras yang bergetar.


Rajah di atas menunjukkan teras yang bergetar dalam gegasing getaran jasad. Dalam rajah tersebut, jisim berayun (English-resonating mass) akan sentiasa bergetar ke atas dan ke bawah di antara dua spring yang memegangnya, di dalam sebuah bingkai dalam (English-inner frame). Apabila telefon pintar diputarkan, berbanding bingkai dalaman turut sama berputar mengikut telefon, ia tidak berputar, sebaliknya hanya bergerak lurus ke kiri atau ke kanan. Lihat rajah di bawah:
(Kosa kata tambahan untuk rajah di atas:
Coriolis sense finger (Bahasa Melayu-jejari pengesan daya Coriolis)- jejari ini ialah pengesan pergerakan bingkai dalaman ke kiri atau ke kanan.
Mass drive direction (Bahasa Melayu-arah pergerakan jisim)- arah pergerakan jisim yang bergetar di dalam bingkai dalaman)


Dalam rajah ini, telefon pintar digambarkan seperti sebuah roda yang mempunyai gegasing seperti dalam rajah yang mendahului rajah ini. Jika telefon pintar diputarkan, sejenis daya yang digelar ‘daya Coriolis’ (English-coriolis force) akan menggerakkan bingkai dalaman gegasing tersebut ke kiri dan ke kanan. Sepatutnya, bingkai ini bergerak dalam gerakan berbentuk bulatan, akan tetapi disebabkan jisim di dalamnya bergetar, maka hanya gerakan lurus yang boleh diterjemahkan dari tindakan daya Coriolis. Gerakan ini akan memberikan isyarat elektrik melalui jejari pengesan daya Coriolis di sepanjang bahagian luar bingkai dalaman, dan diproses oleh telefon pintar untuk sebagai contoh, membetulkan paparan pada layarnya.

Sepertimana gasing yang berputar tetap pada paksinya di dalam gegasing, teras yang bergetar juga bergetar tetap pada satah getarannya. Getaran memiliki momentum putar yang tersendiri sebagaimana gasing, di mana momentum putar inilah yang menyebabkan teras yang bergetar berada tetap pada satah getarannya (sebagaimana momentum putar mengekalkan gasing pada paksi putarannya) dan menyebabkan daya Coriolis yang sepatutnya menyebabkan gerakan bengkok bingkai dalaman, diterjemahkan sebaliknya ke dalam gerakan lurus ke kiri dan ke kanan.

Apakah persamaan antara gegasing dengan teras gasing dengan gegasing getaran jasad? Jika gasing dalam gegasing teras gasing disokong dalam bingkai putar, teras yang bergetar dalam gegasing getaran jasad disokong oleh spring. Gegasing getaran jasad secara realitinya dibina daripada cip silikon dan dipaterikan bersama-sama papan litar elektronik. Saiznya amat kecil dan hanya boleh diperhatikan di bawah mikroskop dan biasanya dapat dikenalpasti sebagai komponen elektronik dalam bekas aluminium berbentuk petak yang bersaiz dalam julat sentimeter.


Sebuah gegasing getaran jasad


Satu lagi gegasing getaran jasad, pada papan litar

Selain telefon pintar, gegasing getaran jasad turut digunakan dalam alat permainan kawalan jauh seperti helikopter kawalan jauh bagi membantu menyeimbangkan kedudukannya di udara ketika terbang dan seterusnya memudahkan kawalan oleh pemain.


Salah satu helikopter kawalan jauh.

Gegasing juga digunakan dalam kapal terbang. Sebagaimana helikopter kawalan jauh, gegasing dalam kapal terbang digunakan bagi mengekalkan kedudukan kapal terbang supaya ia sentiasa berada pada kedudukan yang betul dari aras bumi (tidak terbalik dan sebagainya). Gegasing dalam kapal terbang ialah seperti gasing sebenar (seperti yang dibincangkan pada awal artkel), namun saiz gasingnya lebih besar dan ia dinamakan roda tenaga (English-flywheel).

‘Powerball’

Gegasing juga digunakan sebagai alat senaman tangan yang digelar ‘Powerball’ atau kadangkala digelar ‘gegasing’ secara formalnya. Pengguna akan memutarkan roda di dalam alat senaman ini sehingga ia berputar agak laju.


Powerball

Powerball sebenarnya ialah sejenis gegasing dengan teras gasing, dan direkabentuk bagi tujuan senaman tangan berbanding digunakan untuk mengekalkan kedudukan jentera dalam ruang.

Powerball berfungsi sebagaimana gegasing dengan teras gasing biasa, cuma ia hanya memiliki dua paksi putaran; satu paksi untuk gasingnya berputar dan satu paksi lagi untuk paksi gasing tersebut berputar. Kedua-dua paksi adalah berserenjang antara satu sama lain.

Dari itu, gasing dalam Powerball boleh melakukan dua jenis putaran; satu putaran ialah putaran gasing tersebut pada paksinya (paksi gasing), dan satu lagi putaran ialah putaran paksi gasing tersebut pada paksi kedua yang selari dengan satah putaran gasing (atau berserenjang dengan paksi gasing).


Rajah di atas menunjukkan Powerball yang dibuka. Rotor berwarna kuning ialah gasing. Paksi gasing ini boleh bergerak bebas di dalam lurah pada bahagian dalam gelang yang berwarna putih. Perhatikan bahawa paksi pusingan gasing ialah berserenjang dengan paksi pusingan untuk paksi gasing melalui lurah pada gelang putih. Gelang putih ini dilekapkan pada bahagian dalam bekas hemisfera yang berwarna biru.

Dengan putaran gasing yang laju pada paksinya, momentum putar yang terhasil akan cuba mengekalkan paksi putaran gasing pada satu kedudukan tertentu (sebagaimana putaran gasing mengekalkan gasing kepada kedudukan tegak).

Seperti yang dijelaskan, dalam Powerball, gasing juga dibenarkan memutarkan paksinya di sekitar paksi kedua.

Aktiviti senaman tangan dilakukan oleh pengguna dengan mengenakan daya yang melawan daya yang menetapkan paksi putaran gasing tersebut (iaitu dari momentum putar gasing), dengan memusingkan paksi gasing dengan cara menggoncangkan Powerball itu dengan cara yang sesuai.

Semakin laju putaran gasing, maka semakin sukar untuk menukarkan kedudukan paksi putarannya pada paksi kedua, dan semakin besar daya yang perlu dikenakan oleh tangan pengguna. Ini dikatakan akan menguatkan sendi tangan dan daya cengkaman tangan.

Video di atas menunjukkan cara-cara memutarkan Powerball. Tali merah dililit pada gasing kuning dan kemudian ditarik untuk memutarkannya. Kemudian, Powerball digoncang agar gasing kuning turut membuatkan paksinya berputar di dalam gelang di dalam Powerball. Semakin laju gasing kuning berpusing, semakin berat Powerball dan semakin kuat daya yang diperlukan untuk menggoncangkannya.

Aplikasi-aplikasi lain

Dalam bidang telekomunikasi, gegasing juga digunakan dalam satelit buatan manusia bagi melaras kedudukannya relatif kepada permukaan bumi, dan memudahkan kawalan pemantul, panel solar serta penentuan kedudukannya di angkasaraya.

Secara umumnya, gegasing wujud dalam pelbagai teknologi yang ingin mengekalkan kedudukannya dalam ruang tiga matra. Contoh lain penggunaan gegasing ialah dalam teknologi Rolly oleh SONY.

Rolly ialah sejenis robot bebola yang boleh berputar ke mana-mana arah dan ia mampu kembali semula ke kedudukan asalnya meskipun ia sudah melakukan pelbagai putaran dan gerakan-gerakan lain. Ini kerana litar elektronik di dalamnya mengandungi gegasing magnetik kecil yang mampu mengingat dan mengembalikan semula ia ke kedudukan asalnya sama seperti gegasing di dalam kapal terbang.


Rolly

Segway ialah sejenis kenderaan ringkas yang memiliki dua roda kecil pada kedua-dua belah bahagian pemandunya. Imbangan badan pemandu dikawal oleh gegasing getaran jasad yang terletak pada papan litar elektroniknya. Jika pemandu memecut ke hadapan, badannya yang mencondong ke belakang akan dimbangkan ke hadapan dan begitu juga jika pemandu memecut ke belakang. Motosikal satu roda yang dinamakan Ryno juga menggunakan gegasing bagi menyeimbangkan tubuh penunggangnya.


sumber : http://prairiefire.areavoices.com/files/2010/09/6-8-07-segway-police.jpg
Dua orang polis sedang menunggang Segway


sumber: http://c276521.r21.cf1.rackcdn.com/wp-content/uploads/2011/01/RYNO.jpg
Menunggang Ryno.

Sejenis kereta mainan yang boleh bergerak di sepanjang birai baldi boleh dibina menggunakan gegasing dengan teras gasing. Kereta ini dinamakan ‘gyrocar’.


Sebuah gyrocar bergerak di atas sebuah birai tajam.

Kesimpulan

Secara umumnya terdapat dua jenis gegasing; satu yang menggunakan momentum putar iaitu gegasing yang menggunakan gasing yang dibiarkan berputar dalam bingkai putar; dan satu lagi gegasing yang menggunakan getaran jasad di terasnya.

Gegasing getaran jasad lebih mendapat sambutan pada masa kini terutama dalam bidang elektronik kerana harganya yang murah, saiznya yang kecil dan ringan dan tidak memerlukan tenaga yang banyak untuk berfungsi (gegasing yang menggunakan gasing di dalam bingkai putar memerlukan tenaga yang banyak untuk mengekalkan putaran gasing di teras bingkai putar).

Prinsip fizik utama yang diaplikasikan dalam semua jenis gegasing ialah Hukum Gerakan Newton Pertama yang menyatakan bahawa sebarang objek yang bergerak pada halaju seragam (putaran atau gerakan lurus) akan terus bergerak kecuali jika ditindakkan oleh sebarang daya luar.

Momentum putar ialah sebahagian daripada prinsip-prinsip fizik yang membenarkan Hukum Gerakan Newton Pertama. Hukum Gerakan Newton Pertama menyatakan bahawa sebarang gerakan jasad pada halaju tertentu akan kekal pada halaju tersebut selagimana tiada daya luar bertindak ke atasnya. Momentum putar hanyalah sebahagian dari manifestasi hukum tersebut dalam kes jasad berputar dan jasad bergetar.