Con quay hồi chuyển là một bánh xe hoặc đĩa quay rất nhanh, gắn trên khung cho phép xoay tự do, có tính chất kỳ lạ: trục quay của nó giữ nguyên hướng trong không gian dù khung bên ngoài bị xoay đi. Đây là quán tính của mô men động lượng — vật đang quay "muốn" giữ hướng trục quay của mình. Nhờ tính chất này, con quay hồi chuyển được dùng để chỉ hướng trên tàu thuỷ, máy bay, tàu vũ trụ và có cả trong chiếc điện thoại của bạn.
Cái tên và người đặt tên
Năm 1852, nhà vật lý Pháp Léon Foucault — người một năm trước đã dùng con lắc khổng lồ để chứng minh Trái Đất quay — chế tạo một con quay đặt trong khung, quay nhanh nhờ cơ cấu bánh răng. Ông muốn dùng nó để thấy sự quay của Trái Đất theo cách khác: trục con quay giữ hướng cố định trong không gian, nên nhìn từ mặt đất, nó dường như xoay chậm theo thời gian. Ông đặt tên thiết bị là "gyroscope", ghép từ tiếng Hy Lạp gyros (vòng quay) và skopein (nhìn) — "nhìn thấy sự quay".
Hai tính chất của con quay
1. Giữ hướng trục (độ cứng không gian)
Một bánh xe đứng yên thì cầm xoay đi hướng nào cũng dễ. Một bánh xe quay rất nhanh thì chống lại mọi việc làm nghiêng trục của nó. Mô men động lượng là một vectơ có hướng theo trục quay; muốn đổi hướng vectơ này phải tác dụng một mô men lực, và bánh quay càng nhanh, càng nặng thì càng cần mô men lực lớn.
Con quay được gắn trong các vòng khung lồng nhau (gọi là khung các-đăng hay gimbal), cho phép khung ngoài xoay tự do mà không truyền mô men lên con quay. Kết quả: dù tàu thuỷ chòng chành, máy bay lượn vòng, trục con quay vẫn chỉ về một hướng cố định.
2. Tiến động: phản ứng "kỳ lạ" khi bị đẩy
Nếu bạn đẩy để làm nghiêng trục một con quay đang quay, trục sẽ không nghiêng theo hướng bạn đẩy, mà xoay sang một bên, vuông góc với hướng đẩy. Hiện tượng này gọi là tiến động (precession).
Thí nghiệm kinh điển: tháo bánh trước xe đạp, buộc một sợi dây vào một đầu trục. Cầm dây treo bánh lên, trục nằm ngang. Bánh đứng yên thì đổ thõng xuống. Nhưng nếu quay bánh thật nhanh rồi buông tay đỡ, bánh không đổ: trục vẫn nằm ngang và cả bánh xe từ từ xoay vòng quanh sợi dây. Trọng lực đang cố kéo đổ bánh, nhưng mô men đó chỉ làm trục xoay ngang. Bánh quay càng nhanh, tiến động càng chậm.
La bàn con quay: chỉ hướng Bắc thật
La bàn từ chỉ về cực từ, lệch khỏi cực Bắc địa lý, và bị nhiễu bởi khối sắt thép khổng lồ của thân tàu. Đầu thế kỷ 20, hải quân và các hãng đóng tàu cần một la bàn tin cậy hơn, đặc biệt cho tàu vỏ thép và tàu ngầm.
- Năm 1908, kỹ sư Đức Hermann Anschütz-Kaempfe chế tạo thành công la bàn con quay đầu tiên dùng được trên tàu.
- Năm 1911, nhà phát minh Mỹ Elmer Sperry đưa ra thiết kế của mình, được nhiều tàu sử dụng.
La bàn con quay khéo léo dùng chính sự quay của Trái Đất: nhờ cách treo và tác dụng của trọng lực, trục con quay dần dần tự định hướng song song với trục quay của Trái Đất, tức chỉ về hướng Bắc địa lý thật. Nó không bị ảnh hưởng bởi từ trường của thân tàu. Đến nay, la bàn con quay vẫn là thiết bị chỉ hướng chính trên tàu biển lớn, bên cạnh định vị vệ tinh.
Con quay trên máy bay và tàu vũ trụ
- Đường chân trời nhân tạo trên bảng đồng hồ máy bay dùng con quay để cho phi công biết máy bay đang nghiêng, chúc hay ngóc so với mặt đất, kể cả khi bay trong mây không nhìn thấy gì.
- Hệ dẫn đường quán tính kết hợp con quay (đo xoay) và gia tốc kế (đo tăng tốc) để tính vị trí mà không cần tín hiệu từ bên ngoài. Tàu Apollo đã dùng hệ thống này để bay tới Mặt Trăng.
- Bánh xe phản lực trên vệ tinh và kính thiên văn vũ trụ: thay vì đốt nhiên liệu, vệ tinh tăng hoặc giảm tốc độ quay của các bánh đà bên trong để tự xoay hướng, nhờ bảo toàn mô men động lượng. Kính thiên văn Hubble dùng các bánh xe phản lực để hướng ống kính, kết hợp với con quay để đo hướng chính xác.
Con quay trong điện thoại: không có gì quay cả
Điện thoại thông minh có "con quay hồi chuyển" để xoay màn hình, chơi các ứng dụng thực tế ảo, ổn định hình ảnh khi quay video. Nhưng bên trong chẳng có bánh xe nào. Đó là cảm biến MEMS (hệ vi cơ điện tử), kích thước vài milimét: một khối silic siêu nhỏ được cho rung liên tục. Khi điện thoại xoay, lực Coriolis làm khối rung lệch sang bên một chút, mạch điện đo độ lệch đó để biết tốc độ xoay.
Ngoài ra còn có con quay quang học (dùng tia laser chạy vòng trong sợi quang hoặc ống kín), cực kỳ chính xác, dùng trong máy bay chở khách và tàu thuyền hiện đại. Tên vẫn là "con quay", nhưng nguyên lý đã khác hẳn bánh đà quay của Foucault.
Bảng tóm tắt các loại con quay
| Loại | Nguyên lý | Dùng ở đâu |
|---|---|---|
| Con quay cơ học | Bánh đà quay nhanh giữ hướng trục | La bàn con quay, đồng hồ máy bay đời cũ, đồ chơi khoa học |
| Con quay MEMS | Khối rung bị lực Coriolis làm lệch | Điện thoại, đồng hồ thông minh, tay cầm điều khiển, thiết bị bay nhỏ |
| Con quay quang học | Hai tia sáng chạy ngược chiều quanh vòng kín, thời gian lệch khi vòng xoay | Máy bay, tàu thuỷ, tên lửa vũ trụ |
| Bánh xe phản lực | Đổi tốc độ quay bánh đà để xoay vệ tinh | Vệ tinh, kính thiên văn vũ trụ |
Góc nhìn hôm nay: cảm nhận con quay bằng tay
- Tháo bánh xe đạp (hoặc dùng bánh xe đạp trẻ em có trục nhô ra), cầm hai đầu trục, nhờ người quay bánh thật nhanh. Thử nghiêng trục sang trái: bạn sẽ thấy bánh xe "vặn" tay mình theo một hướng khác.
- Ngồi lên ghế xoay, cầm bánh xe đang quay với trục thẳng đứng, rồi lật ngược trục: ghế bắt đầu quay. Mô men động lượng tổng phải bảo toàn, nên khi bạn đổi chiều quay của bánh, cơ thể và ghế phải quay bù lại.
- Mở ứng dụng đo cảm biến trên điện thoại (như phyphox), xem đồ thị con quay khi xoay điện thoại.
Ở Paris, Bảo tàng Nghệ thuật và Nghề nghiệp (Musée des Arts et Métiers) lưu giữ nhiều dụng cụ gốc của Foucault, kể cả con quay năm 1852.
Câu hỏi thường gặp
Con quay hồi chuyển là gì?
Là thiết bị có bánh xe hoặc đĩa quay nhanh gắn trong khung xoay tự do, giữ trục quay theo một hướng cố định trong không gian nhờ bảo toàn mô men động lượng. Nó được dùng để đo và giữ hướng trên tàu, máy bay, tàu vũ trụ.
Ai phát minh con quay hồi chuyển?
Nhà vật lý Pháp Léon Foucault chế tạo và đặt tên gyroscope năm 1852 để minh hoạ sự quay của Trái Đất. Các con quay đơn giản đã có trước đó, nhưng Foucault là người đặt tên và dùng nó cho mục đích khoa học.
Tiến động con quay là gì?
Là hiện tượng khi tác dụng mô men lực để làm nghiêng trục con quay đang quay, trục không nghiêng theo hướng lực mà xoay sang một bên, vuông góc với hướng đẩy. Bánh xe đạp treo bằng một đầu trục mà không đổ là ví dụ quen thuộc.
La bàn con quay khác la bàn từ thế nào?
La bàn từ chỉ về cực từ và bị nhiễu bởi sắt thép. La bàn con quay dùng sự quay của Trái Đất để tự định hướng song song với trục Trái Đất, chỉ về hướng Bắc địa lý thật và không bị ảnh hưởng bởi từ trường thân tàu.
Điện thoại có con quay hồi chuyển không?
Có, nhưng không có bánh xe quay. Đó là cảm biến MEMS cỡ vài milimét với một khối silic rung liên tục; khi điện thoại xoay, lực Coriolis làm khối rung lệch đi và mạch điện đo độ lệch để tính tốc độ xoay.