Gyroscopic Stabilization

သေဘၤာမ်ားတြင္ rolling ေခၚ ဘယ္ညာတိမ္းေစာင္းမႈ႕ကို ထိန္းညွိေပးႏုိင္ရန္ တပ္ဆင္သည့္ Gyroscopic Stabilizer အေၾကာင္းကို အနည္းငယ္ တင္ျပလိုပါသည္။ စစ္သေဘၤာမ်ားတြင္ လည္းေကာင္း၊ ျမန္ႏႈန္းျမင့္ သေဘၤာငယ္မ်ား(Speed boat) တြင္လည္းေကာင္း၊ ၾကီးမားေသာ ခရီးသည္တင္ သေဘၤာၾကီးမ်ားတြင္ လည္းေကာင္း တပ္ဆင္ၾကသည္။

Gyroscopic stabilizer အေၾကာင္းကို မစခင္ Gyroscopic Precession အေၾကာင္းကို အနည္းငယ္ ေျပာျပလိုပါသည္။ သေဘၤာမ်ား၏ Gyroscopic Stabilizers မ်ား၏ သေဘာသဘာ၀မွာ Gyroscopic Precession ကို အေျခခံထားေသာေၾကာင့္ ျဖစ္သည္။

Gyroscope တစ္ခုကို အားတစ္ခုျဖင့္ လည္ပတ္ေစေသာအခါ အဆုိပါ Gyroscope တြင္ Angular Momentum တစ္ခု ရရွိလာသည္။ အင္ဂ်င္မ်ား၏ အားကို ျမင္းေကာင္ေရ (Horse Power)၊ ဂ်င္နေရတာမ်ား၏ အားကို ကီလို၀ပ္ (kW) ျဖင့္ ေဖာ္ျပသကဲ့သို႕ Gyro Stabilizer မ်ား၏ အားကို Angular momentum ျဖင့္ ေဖာ္ျပသည္။ အဆိုပါ လည္ပတ္မႈ႕ေၾကာင့္ Gyroscope ၏ အလည္ဗဟို ဆံုခ်က္ေနရာမွ ၉၀ ဒီဂရီအတုိင္း အားတစ္ခု(Torque) ကို သက္ေရာက္ျဖစ္ေပၚေစသည္။ အဆိုပါျဖစ္ရပ္ကို “Precession” ဟုေခၚသည္။ ဤအခ်က္ကို ရူပေဗဒဆုိင္ရာ သေဘာတစ္ရားမ်ာျဖင့္ ယခုအခန္းတြင္ ရွင္းမျပေတာ့ပါ။ သို႕ေသာ္ ျမင္လြယ္ေအာင္ စက္ဘီးတစ္စီး၏ စက္ဘီးေခြတစ္ခုႏွင့္ ႏိႈင္းယွဥ္ျပပါမည္။

အဆိုပါပံုတြင္ ကေလးငယ္တစ္ေယာက္သည္ စက္ဘီးေခြ တစ္ခုကို ကိုင္ကာ ဘယ္ဘက္ သုိ႕မဟုတ္ လက္၀ဲဘက္သို႕ လည္ပတ္ေအာင္ အားတစ္ခုျဖင့္ လွည့္လိုက္သည္။ ထိုအခ်ိန္တြင္ စက္ဘီးေခြကို ေရျပင္ညီအတုိင္း လည္ပတ္ေနေစသည္ ဆိုပါစို႕။ အထက္ပါ လည္ပတ္မႈ႕ေၾကာင့္ စက္ဘီးေခြ၏ ၀န္ရိုးေနရာတြင္ ၉၀ဒီဂရီ အတုိင္း အင္အားတစ္ခု (Torque) တစ္ခုျဖစ္ေပၚလာျပီး အဆိုပါ အားသည္ စက္ဘီးေခြကို ကိုင္ထားေသာေနရာမွ ထုိလူငယ္ေလး၏ ေ၀းရာ ဆန္႕က်င္ဘက္ကို သက္ေရာက္ေစသည္။

ထို႕အတူ အဆိုပါ စက္ဘီးေခြကို ညာဘက္သို႕ လွည့္လုိက္ပါက အဆုိပါ Torque သည္ လူငယ္ေလးႏွင့္ နီးရာဆီသို႕ သက္ေရာက္ေစမည္ျဖစ္သည္။ ထိုလည္ပတ္မႈ႕ေၾကာင့္ ၉၀ဒီဂရီအတုိင္း ျဖစ္ေပၚလာေသာ Turning Force၏ သက္ေရာက္မႈ႕ကို Precession ဟုေခၚပါသည္။

Gyroscope တစ္ခု၏ သေဘာတရားမွာလည္း ထိုနည္းတူျဖစ္သည္။ Gyroscope အေပၚသက္ေရာက္ေနေသာ angular momentum မ်ားလာသည္ႏွင့္ အမွ် turning torque သည္လည္း မ်ားလာမည္ျဖစ္သည္။ Angular momentum သည္ လည္ပတ္မႈ႕ျမန္ျခင္းမွေသာ္လည္းေကာင္း၊ အစြန္းတစ္ဘက္ရွိ အေလးခ်ိန္ (peripheral weight) တိုးျမွင့္လာျခင္းေၾကာင့္ေသာ္လည္းေကာင္း သက္ေရာက္ႏုိင္သည္။

ထိုသေဘာတရားကို ၁၉၃၂ခုႏွစ္တြင္ တည္ေဆာက္ခဲ့ေသာ “ကြန္တီ ဒီ ဆာဗိုရာ” အမည္ရွိသေဘၤာတြင္ အသံုးျပဳခဲ့သည္။ အလြန္ၾကီးမားေသာ ၀န္ရိုးကို ဗဟိုျပဳျပီး လည္ပတ္ႏုိင္ေသာ Stabilizer ၃လံုးကို သေဘၤာ၏ center line တေလွ်ာက္ တပ္ဆင္ထားသည္။ ထို Stabilizer တစ္လံုးခ်င္းစီ၏ Spinning axis ေခၚ လည္ပတ္ႏုိင္ေသာအပိုင္းမွာ ေဒါင့္မတ္ ၉၀ ဒီဂရီ (vertical) အတုိင္းျဖစ္သည္။ ထို႕ေနာက္ Gyroscope ထည့္ထားေသာ gimballed ကို သေဘၤာ၏ ေဒါင္လုိက္ (Transverse or awartships) အတုိင္း တပ္ဆင္ထားသည္။ သေဘၤာ ဘယ္ညာလူးေသာ အခါ သေဘၤာ gyro၏ ၀န္ရိုးကို ကို ဘယ္ညာ ဖက္ (တစ္ဖက္မွ တစ္ဖက္သို႕) ေရႊ႕လွ်ားေစသည္။ အဆိုပါေရႊ႕လွ်ားမႈ႕မွတစ္ဆင့္ ေရွ႕ မွ ေနာက္သို႕ လည္ပတ္မႈ႕ကိုျဖစ္ေပၚေစသည္။ အထက္ပါေရြ႕လွ်ားမႈ႕စနစ္သည္ အထက္တြင္ေဖာ္ျပခဲ့ေသာ စက္ဘီးေခြ လည္ပတ္မႈ႕ ပံုစံအတုိင္းပင္ျဖစ္သည္။

ကနဦး အသံုးျပဳခဲ့ေသာ Gyro Stabilizers မ်ားမွာ ေကာင္းစြာ အလုပ္မျဖစ္ခဲ့ေပ။ ၄င္းတို႕၏ ၾကီးမားေလးလံေသာ Gyroscopic rotors မ်ား၊ casing (အကာမ်ား)၊ gyro အျဖစ္အသံုးျပဳေသာ gimballed မ်ားေၾကာင့္ သေဘၤာ၏ ကုန္သယ္ယူႏုိင္ေသာ ပမာဏကို ေလွ်ာ့က်ေစသည္။ ထိုျပင့္ ၄င္းတို႕၏ ၾကီးမားေသာ ကိုယ္ထည္မ်ားေၾကာင့္ ခရီးသည္တင္ေဆာင္မည့္ေနရာမ်ား၊ ကုန္စည္တင္ေဆာင္ႏုိင္မည့္ေနရာမ်ားကို ေလွ်ာ့နည္းေစသည္။ ထို႕ျပင္ သေဘၤာသည္ rolling ႏွင့္ pitching ျဖစ္ေနေသာ အေျခအေနတြင္ ျဖစ္ေပၚလာေသာ မတည္ျငိမ္မႈ႕(unstable)ကိုထိန္းႏုိင္ရန္ သေဘၤာတြင္ တပ္ဆင္ထားေသာ Gyro Stabilizer ၏ အစိတ္အပိုင္းမ်ားကို လံုေလာက္စြာလည္ပတ္ေစရန္ စြမ္းအင္ အေျမာက္အမ်ား အသံုးျပဳရန္လိုအပ္သည္။

အထက္ပါ အခ်က္မ်ားေၾကာင့္ direct gyroscopic stabilization သည္ သေဘၤာမ်ားအတြက္ မသင့္ေလွ်ာ္ေၾကာင္းသိရွိခဲ့ျပီး အဆိုပါနည္းလမ္းကို ထပ္မံ အသံုးမျပဳေတာ့ေပ။ ေနာက္ပိုင္းတြင္ Fin ေခၚ သေဘၤာ၏ ေဘးဘက္တြင္ ေတာင္ပံမ်ားတပ္ဆင္ထားေသာ Gyro Precession ကို အေျခခံသည့္ နည္းလမ္းကို အသံုးျပဳလာၾကသည္။

အဆိုပါ Gyroscopic Stabilizer မ်ားတြင္ လည္ပတ္ေစေသာ ၀န္ရိုး (Spin axis)၊ Input axis ႏွင့္ output axis ဟူေသာ ၀န္ရိုး ၃ခုျဖင့္ ဖြဲ႕စည္းတည္ေဆာက္ထားသည္။ အထက္တြင္ေဖာ္ျပခဲ့သည့္ ၾကီးမားေသာ Gyroscope မ်ားအစား ေသးငယ္ေသာ Gyroscope မ်ားကို Sensor မ်ားတပ္ဆင္ျပီး အသံုးျပဳလာၾကသည္။ သေဘၤာတိမ္းေစာင္းမႈ႕ေၾကာင့္ angular acceleration ၏ အက်ိဳးသက္ေရာက္မႈ႕ေၾကာင့္ ျဖစ္ေပၚလာေသာ တစ္ဘက္သို႕တိမ္းေစာင္သြားသည္ ေဒါင့္

(tilt angle) ကို gyro မွတစ္ဆင့္ Stabilizing Fins ေခၚ သေဘၤာတည္ျငိမ္ေစရန္ သံုးေသာ ေတာင္ပံမ်ားစီးသို႕ လွ်ပ္စစ္ အခ်က္ျပ (Electrical signal) ျဖင့္ ပို႕ေပးသည္။

Stabilizing fins ေခၚ တည္ျငိမ္မႈ႕အတြက္ သံုးေသာ ေတာင္ပံမ်ား၏ ျပဳမူပံုမွာ ေလယဥ္ေတာင္ပံမ်ားတြင္ သံုးေသာ ailerons မ်ားအတိုင္းပင္ျဖစ္သည္။ အဆိုပါ ေတာင္ပံ ေအာက္သို႕ ရိုက္ခတ္ေပးခ်ိန္တြင္ ေရစီးဆင္းမႈ႕ကို ေအာက္သို႕ သက္ေရာက္ေစျပီး သေဘၤာကို မတင္ေပးသည္။ အေပၚသို႕ ရိုက္ခတ္ေပးခ်ိန္တြင္ သေဘၤာကို ေအာက္သို႕ ဆြဲခ်ေပးသည္။

Gyro stabilizer မ်ား၏ အားသာမႈ႕မွာ သေဘၤာစတင္တိမ္းေစာင္ခ်ိန္မွာပင္ တိမ္းေစာင္းသည့္ပမာဏကို ခ်က္ခ်င္းသိရွိေစျပီး ေတာင္ပံမ်ားကို အသံုးျပဳကာ သေဘၤာကို stability ထိန္းညွိေပးျခင္ျဖစ္သည္။ အျခားေသာ Stability ထိန္းညွိေပးေသာ စနစ္မ်ားလည္းရွိသည္။ ဥပမာ - Flume Tank ဟုေခၚေသာ စနစ္ျဖစ္သည္။ အဆိုပါစနစ္တြင္ tank မ်ားအတြင္းရွိေရကို တစ္ဘက္မွ တစ္ဘက္သို႕ ေရြ႕ေျပာင္းေပးျခင္းျဖင့္ ထိန္းညွိေပးသည္။ သို႕ေသာ Gyro stabilizer မ်ားထက္ အခ်ိနပိုမို္ၾကာျမင့္သည္။

Gyro stabilizer မ်ားတြင္ တပ္ဆင္ေသာ ေတာင္ပံ (fins) မ်ား၏ အရြယ္အစားႏွင့္ လည္ပတ္ႏုိင္မႈ႕ (ရိုက္ခတ္ႏိုင္မႈ႕) ၾကိမ္ႏႈန္းသည္ အဆိုပါေတာင္ပံမ်ား၏ ထိေရာက္မႈ႕ (စြမ္းရည္)ကို အက်ိဳးသက္ေရာက္မႈ႕ျဖစ္သည္။ သို႕ေသာ္ အဆိုပါ ေတာင္ပံမ်ား၏ ခံႏုိင္ရည္ႏွင့္ ရႈပ္ေထြးေသာ တည္ေဆာက္မႈ႕တို႕ေၾကာင့္ အရြယ္အစားမွ ကန္႕သတ္ခ်က္ရွိသည္။ တန္၃၀၀၀ ရွိသည္ Ro-Ro carrier (ကားတင္သေဘၤာ) မ်ားတြင္ ပံုမွန္အားျဖင့္ ၄မီတာ အရွည္ရွိေသာ ေတာင္ပံမ်ားကို အသံုးျပဳၾကသည္။

အခ်ိဳ႕ေသာ သေဘၤာမ်ားတြင္ ကုန္တင္ေဆာင္ေနခ်ိန္တြင္ တစ္ဘက္မွ တစ္ဘက္သို႕ တိမ္းေစာင္းသြားေသာ အေျခအေနျဖစ္ေပၚေလ့ရွိသည္။ အဆိုပါ အခ်ိန္တြင္ Gyro Stabilizer Fins မ်ားကို အသံုးျပဳရန္ မသင့္ေလွ်ာ္ေပ။ အဘယ္ေၾကာင့္ဆိုေသာ္ ေတာင္ပံမ်ား၏ ပတ္၀န္းက်င္တြင္ ေရစီးဆင္းမႈ႕မရွိေသာေၾကာင့္ သေဘၤာကို သက္ေရာက္ရန္ လံုေလာက္ေသာ velocity မရရွိေသာေၾကာင့္ျဖစ္သည္။ ထိုအခ်ိန္တြင္ မ်ားေသာအားျဖင့္ anti-rolling tanks မ်ားကို အသံုးျပဳျပီး သေဘၤာကို ထိန္းညွိၾကသည္။ ထိုအတူ gyro stabilizing fins မ်ားကို ေရခဲေသာ အာတိတ္ေဒသရပ္၀န္းမ်ားသို႕ သြားလာေသာ သေဘၤာမ်ားတြင္လည္း အသံုးျပဳရန္ မသင့္ေလွ်ာ္ေပ။

Ref: 1. The Management of Merchant Ship Stability, Trim and Strength by I. C. Clark (BSc, MSc and Master Mariner)

2. www.wikipedia.org