דמיינו שאתם נוסעים במהירות שיא בכביש דו-נתיבי. ופתאום זה מופיע בצד ימין
כרית האוויר מופעלת על ידימד תאוצה - חיישן שמזהה שינויים פתאומיים במהירות. מדי תאוצה שומרים רקטות ומטוסים על נתיב הטיסה הנכון ומספקים ניווט למכוניות בנהיגה עצמית. הם מובנים גם בטלפונים ניידים, טאבלטים וקוראים אלקטרוניים כדי להציג תמונות בצורה נכונה כאשר המשתמש הופך את המכשיר.
חוקרים מהמכון הלאומיתקנים וטכנולוגיות (NIST) פיתחו מד תאוצה בעובי של מילימטר בלבד. הוא משתמש באור לייזר במקום בעיוות מכני כדי ליצור אות. מדענים מקווים לענות על הדרישה הגוברת למדידות תאוצה מדויקות במערכות ניווט קטנות ובמכשירים אחרים.
אם כי גם כמה מדי תאוצה אחריםלהסתמך על האור, העיצוב של מכשיר ה-NIST מקל על תהליך המדידה תוך מתן דיוק רב יותר. בנוסף, הוא פועל בטווח תדרים רחב יותר ועבר בדיקות מחמירות יותר ממכשירים דומים.
מכשיר NIST - מד תאוצה אופטומכניאינו דורש תהליך כיול תקופתי ארוך. למעשה, מכיוון שהמכשיר משתמש באור לייזר בתדירות ידועה למדידת תאוצה, הוא יכול בסופו של דבר לשמש כנקודת ייחוס ניידת לכיול מדי תאוצה אחרים הקיימים כיום בשוק, מה שהופך אותם למדוייקים יותר.
מד התאוצה ישפר גם את הניווט האינרטיבמערכות קריטיות כמו מטוסים צבאיים, לוויינים וצוללות, במיוחד כאשר אות GPS אינו זמין. חוקרי NIST ג'ייסון גורמן, תומס לברון, דיוויד לונג ועמיתיהם תיארו את עבודתם בכתב העת Optica.
מדי תאוצה, כולל מכשיר ה-NIST החדש,לתעד שינויים במהירות על ידי מעקב אחר המיקום של מסה הנעה בחופשיות, המכונה "מסת ייחוס", ביחס לנקודת ייחוס קבועה בתוך המכשיר. המרחק בין מסת הייחוס לנקודת הייחוס משתנה רק אם מד התאוצה מאט, מאיץ או משנה כיוון. הדבר נכון גם אם אתה נוסע במכונית. אם המכונית עומדת או נעה במהירות קבועה, המרחק בין האדם ללוח המחוונים נשאר ללא שינוי. אבל אם המכונית בלם פתאום, הנהג נזרק קדימה והמרחק בין האדם ללוח המחוונים יורד.
התנועה של מסת הייחוס יוצרת נתון שניתן לגלותאוֹת. מד התאוצה החדש משתמש באור אינפרא אדום כדי למדוד את השינוי במרחק בין שני משטחים מחזירי אור במיוחד המכסים שטח קטן של חלל ריק. מסת בקרה תלויה על קורות גמישות של חמישית מרוחב שערה אנושית תומכת באחד ממשטחי המראה. המשטח הרפלקטיבי השני, המשמש כנקודת ייחוס קבועה למד התאוצה, מורכב ממראה מיקרוקעורה קבועה.
יחד שני משטחים מחזירים אור וריקיםהחלל ביניהם יוצר חלל שבו אור אינפרא אדום באורך הגל הרצוי מהדהד או משתקף בין המראות, מה שמגביר את העוצמה. אורך גל זה נקבע על ידי המרחק בין שתי המראות, כשם שגובה הצליל של גיטרה תלושה תלוי במרחק בין דאגת הכלי לגשר. אם מסת התייחסות נעה בתגובה לתאוצה על ידי שינוי המרחק בין המראות, גם אורך הגל המהדהד משתנה.
כדי לעקוב אחר שינויים באורך התהודהגלי תהודה בעלי רגישות גבוהה, לייזר חד-תדר יציב קשור לתהודה. המדענים השתמשו במסרק תדר אופטי כדי למדוד את אורך המהוד בדיוק גבוה. ניתן לחשוב על סימני הסרגל (שיני מסרק) כסדרה של לייזרים עם אורכי גל מרווחים באופן שווה. כאשר מסת הבדיקה נעה במהלך תקופת התאוצה, מקצרת או מתארכת את החלל, עוצמת האור המוחזר משתנה כאשר אורכי הגל הקשורים לשיני המסרק נעים פנימה והחוצה מהתהודה עם החלל.
המרה מדויקת של תנועת השליטהמסה לתוך האצה הייתה בעייתית ברוב מדי התאוצה האופטו-מכניים הקיימים. עם זאת, העיצוב החדש של המכשיר מבטיח שהקשר הדינמי בין תזוזה של מסה ייחוס לתאוצה הוא פשוט וקל למודל תוך שימוש בעקרונות הראשונים של הפיזיקה. במילים פשוטות, מסת הבדיקה וקורות התמיכה נועדו להתנהג כמו קפיץ פשוט או מתנד הרמוני. הוא רוטט בתדר אחד בטווח הפעולה של מד התאוצה.
התגובה הדינמית הפשוטה הזו אפשרה למדעניםלהשיג שגיאת מדידה נמוכה בטווח רחב של תדרי תאוצה - מ-1 עד 20 קילו-הרץ - ללא צורך בכיול המכשיר. תכונה זו ייחודית בכך שכל מדי התאוצה המסחריים חייבים להיות מכוילים, וזה גוזל זמן ויקר. מאז פרסום המחקר שלהם באופטיקה, החוקרים ביצעו מספר שיפורים שאמורים להפחית את השגיאה של המכשיר שלהם לכמעט 1%.
מד תאוצה אופטי-מכני מסוגללזהות תזוזות של מסת ייחוס שהן פחות ממאה אלף מקוטר של אטום מימן, זיהוי תאוצות של עד 32 ppb ag, כאשר g היא התאוצה עקב כוח המשיכה של כדור הארץ. זוהי רגישות גבוהה יותר מכל מד תאוצה שקיים כיום בשוק בגודל ורוחב פס דומים.
עם שיפורים נוספיםמד התאוצה האופטומכני של NIST יכול לשמש כמכשיר התייחסות דיוק גבוה לכיול מדי תאוצה אחרים מבלי להביא אותם למעבדה.
קרא עוד
פיזיקאים יצרו אנלוגיה של חור שחור ואישרו את התיאוריה של הוקינג. לאן זה מוביל?
האלגוריתם גילה שכבה מסתורית חדשה בתוך כדור הארץ
בגלל השמש, האטמוספירה של כדור הארץ תאבד את כל החמצן החופשי
באופטיקה מסרק תדרים הוא לייזרמקור שהספקטרום שלו מורכב מסדרה של קווי תדר נפרדים, בעלי מרווח שווה. מסרק התדרים מאפשר תקשורת ישירה מתקני RF לתדרים אופטיים. תקני תדרים מודרניים כגון שעוני אטום פועלים באזור המיקרוגל של הספקטרום, ומסרק התדרים מביא את הדיוק של שעונים כאלה לחלק האופטי של הספקטרום האלקטרומגנטי.