Sizin için basit videolar çeken veya köpeğinizi rahatsız etmek için kullandığınız bir dronunuz olabilir. Dronlar bugünlerde oldukça popülerdir ve ve farklı fiyat-çeşit seçeneğiyle bir tane satın alabilirsiniz. Tabi ki dört rotorlu uzaktan kumandalı uçan araçlardan bahsediyorum, bilim adamlarının iklim değişikliği ve benzeri şeyleri incelemek için kullandıkları daha büyük uçaklar değil . Onlar çok daha masraflı.
Küçük dronları uçurması daha kolaydır – yetenekli bir pilot, video kaydı için hemen hemen her yöne gezip uçabilir. Fakat bir drone gerçekte nasıl uçar? İşte tam bu nokta fiziğe bakmak için mükemmel bir fırsat.
Dikey Hareket
Dronlar tahrik ve kontrol için rotor kullanıyor. Bir rotoru bir fan olarak düşünebilirsiniz, çünkü hemen hemen aynı şekilde çalışırlar. Dönen bıçaklar havayı aşağıya doğru bastırır. Tabii ki, tüm kuvvetler çift halinde gelir, yani rotor havaya doğru ilerledikçe, hava rotorun üzerine iter. Bu, yukarı ve aşağı kuvveti kontrol altına almak için aşağı inen asansörün temel fikridir. Rotorlar ne kadar hızlı dönerse, asansör de o kadar büyük olur ve bunun tersi de geçerlidir.
Şimdi, bir drone dikey düzlemde üç şey yapabilir: seyir, tırman ya da alçal. Uçmak için, uçağı yukarı doğru iten dört rotorun net itişi aşağı çeken yerçekimi kuvvetine eşit olmalıdır. Kolay. Peki ya yükselmeye, hangi pilotlar tırmanmaya ne demeli? Sadece itme gücünü arttırmak ağırlığından daha büyük olmayan bir sıfır yukarı doğru bir kuvvet olacak şekilde, dört rotorların (hız). Ondan sonra, itişi biraz azaltabilirsiniz – ancak dronda şu anda üç kuvvet var: ağırlık, itme ve hava çekme. Bu yüzden, iticilerin sadece bir vurgununkinden daha büyük olmalarına hala ihtiyacınız olacak. Azalan işlem tam tersini yapmayı gerektirir: Rotor itişini (hızı) azaltın, böylece net kuvvet aşağı doğru olur.
Dönüş (Rota)
Diyelim ki kuzeye sarkan uçan bir dronunuz var ve onu doğuya bakacak şekilde döndürmek istiyorsunuz. Dört rotorun gücünü değiştirerek bunu nasıl başarıyorsunuz? Cevap vermeden önce, 1’den 4’e kadar etiketli rotorların bir şemasını vereceğiz :
Bu yapılandırmada, kırmızı rotorlar saat yönünün tersine ve yeşil olanlar saat yönünde dönmektedir. İki rotor takımı ters yönlerde döndüğünde, toplam açısal momentum sıfırdır. Açısal momentum , lineer momentuma çok benzer ve açısal hızı atalet momentiyle çarparak hesaplarsınız. Atalet momenti nedir? Dönme ile ilgili olması dışında kütleye benzer. Evet, oldukça karmaşık bir hal alıyor, ancak tek bilmeniz gereken açısal momentumun rotorların ne kadar hızlı döndüğüne bağlı olmasıdır.
Sistemde tork yoksa (buradaki sistem drondur), toplam açısal momentum sabit kalmalıdır (bu durumda sıfır). Anlaşmayı kolaylaştırmak için saat yönünün tersine kırmızı rotorların pozitif açısal momentumları ve yeşil saat yönünde rotorların negatif açısal momentumları olduğunu söyleyeceğiz. Her rotora +2, +2, -2, -2 değerlerini atayın (sıfıra kadar ekler)
Dronu sağa döndürmek istediğinizi varsayalım. Rotorun (1) açısal hızını, şimdi -2 yerine -1’in açısal momentumuna sahip olacak şekilde azalttığını varsayalım. Başka bir şey olmazsa, dronun toplam açısal momentumu şimdi + 1 olacaktır. Tabii ki, bu olamaz. Böylece, drone saat yönünde dönerek drone gövdesinin -1 açısal momentumuna sahip olmasını sağlar. İşte dönüyoruz
Fakat rotorun (1) dönüşünün azaltılması gerçekten de dronun dönmesine neden oldu, ama aynı zamanda rotor 1’den itme kuvvetini de düşürdü. Daha da kötüsü, itme kuvvetleri dengede değil, bu yüzden drone rotor 1 yönünde aşağıya doğru sallanıyor. Bunu düzeltebiliriz.
Uçağı diğer tüm sorunları oluşturmadan döndürmek için, rotor 1 ve 3’ün dönüşünü azaltın ve rotor 2 ve 4 için dönüşü artırın. Rotorların açısal momentumu hala sıfıra kadar eklenmez, bu nedenle drone gövdesi dönmelidir . Ancak toplam kuvvet çekim kuvveti ile aynı kalır ve drone uçuşa devam eder. Alt itme rotorları çapraz olarak birbirlerine zıt olduğundan, drone hala dengeli kalabilir.
İleri ve Yanlar
İleri ya da geri gitme arasındaki fark nedir? Yok, çünkü drone simetrik. Aynısı, yan yana hareket için de geçerlidir. Temel olarak bir quadcopter uçağı, her tarafın ön olduğu bir araba gibidir. Bu, ileriye doğru nasıl hareket edileceğini açıklamanın aynı zamanda geri veya her iki tarafa da nasıl hareket edeceğini açıkladığı anlamına gelir.
İleri uçmak için, rotorlardan ileri sürülen bir itme bileşenine ihtiyacım var. İşte sabit bir hızla hareket eden bir dronun (kuvvetlerle) yandan görünüşü.
Uçağı bu pozisyona nasıl soktuk? 3 ve 4 numaralı rotorların (arkadakilerin) rotasyon oranını arttırabilir ve 1 ve 2 numaralı rotorların hızını düşürebilirsiniz. Ayrıca, arka rotorlardan biri saatin tersi yönünde ve diğeri saat yönünde döndüğü için, bu rotorların artan dönüşü hala sıfır açısal momentum üretecektir. Aynısı ön rotorlar için de geçerlidir ve böylece drone dönmez. Bununla birlikte, dronun arkasındaki daha büyük kuvvet, öne doğru eğileceği anlamına gelir. Şimdi tüm rotorlar için itme hafif bir artış, ileri hareket bileşeniyle birlikte ağırlığı dengelemek için bir bileşeni olan net bir itme kuvveti üretecektir.
Bilgisayar Kullanmak
Şimdiye kadar, bir veya daha fazla rotorun dönüş hızını değiştirerek her hareketin gerçekleştirildiğini kesinlikle farkettiniz. Bunu yapmak, her bir motora giden voltajı artırabilen veya azaltabilen bir kontrol cihazı gerektirir . Kurulması çok zor değil. Ancak şunu hayal edin – 4 denetleyicili bir dronunuz var. Her motor gücü seviyesi için bir denetleyiciye ihtiyacınız olacak. İstenen hareketi elde etmek için her motor gücünü manuel olarak ayarlamak çılgınca zor olacaktır.
Ancak, bir tür bilgisayar kontrol sisteminiz varsa, yalnızca bir joystick’i baş parmağınızla itebilir ve bir bilgisayarın hepsini kullanmasına izin verebilirsiniz. Uçağın içindeki bir ivmeölçer ve jiroskop, her rotorun gücünde küçük ayarlamalar yaparak uçuşun kolaylığını ve dengesini daha da artırabilir. Bir GPS sistemi ekleyin ve insandan tamamen kurtulabilirsiniz. Böylece, tüm işi yapmasına izin verirseniz, bir drone uçmanın oldukça kolay olduğunu görebilirsiniz. Ama arkasındaki fiziği anlamak hala güzel.