جيمبال

📅 آخر تحديث: ١ أغسطس ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ١ أغسطس ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 9 صور
الموسوعة الحرة
رسم توضيحي لمجموعة جيمبال ثلاثية المحاور بسيطة؛ يمكن تثبيت الحلقة المركزية عموديًا

الجيمبال هو دعامة محورية تسمح بتدوير جسم حول محور. يمكن استخدام مجموعة من ثلاثة جيمبالات، مثبتة فوق بعضها البعض بمحاور ارتكاز متعامدة ، للسماح لجسم مثبت على الجيمبال الأبعد بالبقاء مستقلاً عن دوران دعامته (مثل الوضع الرأسي في الرسوم المتحركة الأولى). على سبيل المثال، في السفن، تستخدم الجيروسكوبات والبوصلات والمواقد وحتى حوامل الأكواب عادةً الجيمبالات للحفاظ على وضعها الرأسي بالنسبة للأفق على الرغم من تمايل السفينة وتأرجحها .

يُطلق على نظام التعليق المحوري المستخدم في تركيب البوصلات وما شابهها أحيانًا اسم نظام تعليق كاردان، نسبةً إلى عالم الرياضيات والفيزياء الإيطالي جيرولامو كاردانو (1501-1576) الذي وصفه بالتفصيل. مع ذلك، لم يخترع كاردانو هذا النظام، ولم يدّعِ ذلك. عُرف هذا الجهاز منذ العصور القديمة، ووُصف لأول مرة في القرن الثالث قبل الميلاد على يد فيلو البيزنطي ، على الرغم من أن بعض المؤلفين المعاصرين يؤيدون الرأي القائل بأنه قد لا يكون له مخترع واحد معروف. [ 1 ] [ 2 ]

تاريخ

تعليق كاردان في كراسة الرسم لفيلارد دي هونيكور (حوالي 1230)
بوصلة جافة من أوائل العصر الحديث معلقة بواسطة محاور دوارة (1570)

وصف المخترع اليوناني فيلو البيزنطي (280-220 قبل الميلاد) نظام الجيمبال لأول مرة. [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] وصف فيلو محبرة ثمانية الأضلاع بفتحة في كل جانب، يمكن تدويرها بحيث يمكن غمس قلم فيها وتعبئتها بالحبر عندما يكون أي وجه منها في الأعلى، دون أن يتسرب الحبر من فتحات الجوانب الأخرى. وقد تحقق ذلك بتعليق المحبرة في مركزها، حيث كانت مثبتة على سلسلة من الحلقات المعدنية متحدة المركز، مما يضمن ثباتها بغض النظر عن اتجاه تدوير المحبرة. [ 3 ]

في الصين القديمة ، ابتكر المخترع والمهندس الميكانيكي دينغ هوان، من سلالة هان (202 ق.م. - 220 م) ، مبخرة ذات محور دوار حوالي عام 180 م. [ 3 ] [ 7 ] [ 8 ] وتشير كتابات سيما شيانغرو (179-117 ق.م.)، الذي سبقه في الحكم، إلى أن هذا النوع من المباشر كان موجودًا في الصين منذ القرن الثاني قبل الميلاد. [ 9 ] ويُذكر أنه خلال عهد سلالة ليانغ (502-557) استُخدمت هذه المباشر في مفصلات الأبواب والنوافذ، كما أهدى أحد الحرفيين الإمبراطورة وو زيتيان (حكمت من 690 إلى 705) موقدًا محمولًا للتدفئة كان يستخدم هذه المباشر. [ 10 ] وتعود النماذج الصينية الموجودة من هذه المباشر، والتي كانت تُستخدم في صناعة البخور، إلى أوائل عهد سلالة تانغ (618-907)، وكانت جزءًا من تقاليد صناعة الفضة في الصين. [ 11 ]

شكك بعض المؤلفين في صحة وصف فيلو لنظام التعليق الكرداني، بحجة أن الجزء من كتابه "الهوائيات" الذي يصف استخدام نظام التعليق الكرداني لم يصلنا إلا من خلال ترجمة عربية تعود إلى أوائل القرن التاسع الميلادي. [ 3 ] ولذلك، حتى عام 1965، شكّك عالم الصينيات جوزيف نيدهام في وجود إضافات عربية . [ 12 ] مع ذلك، يعتبر كارا دي فو، مؤلف الترجمة الفرنسية التي لا تزال تُشكّل أساسًا للباحثين المعاصرين، [ 13 ] أن كتاب "الهوائيات" أصليٌّ في جوهره. [ 14 ] كما يؤكد مؤرخ التكنولوجيا جورج سارتون (1959) أنه من الآمن افتراض أن النسخة العربية هي نسخة أمينة من أصل فيلو، وينسب الاختراع صراحةً إلى فيلو. [ 15 ] ويؤيده في ذلك زميله مايكل لويس (2001). [ 16 ] في الواقع، تُظهر الأبحاث التي أجراها الباحث الأخير (1997) أن النسخة العربية تحتوي على تسلسلات من الحروف اليونانية التي لم تعد مستخدمة بعد القرن الأول، مما يعزز فرضية أنها نسخة أمينة للأصل الهلنستي ، [ 17 ] وهو رأي شاركه مؤخرًا أيضًا عالم الكلاسيكيات أندرو ويلسون (2002). [ 18 ]

وصف المؤلف الروماني القديم أثينايوس الميكانيكوس ، الذي كتب خلال عهد أغسطس (30 ق.م. - 14 م)، الاستخدام العسكري لآلية تشبه المحور، وأطلق عليها اسم "القرد الصغير" ( بيثيكيون ). عند الاستعداد لمهاجمة المدن الساحلية من البحر، كان المهندسون العسكريون يربطون السفن التجارية معًا لحمل آلات الحصار إلى الأسوار. ولكن لمنع الآلات المحمولة على السفن من التدحرج على سطح السفينة في البحار الهائجة، نصح أثينايوس بأنه "يجب تثبيت البيثيكيون على المنصة المتصلة بالسفن التجارية في المنتصف، بحيث تبقى الآلة منتصبة في أي زاوية". [ 19 ]

بعد العصور القديمة ، ظلت الجيمبالات معروفة على نطاق واسع في الشرق الأدنى . وفي الغرب اللاتيني، ظهرت إشارة إلى هذه الأداة مرة أخرى في كتاب وصفات يعود إلى القرن التاسع بعنوان " المفتاح الصغير للرسم" ( mappae clavicula ). [ 20 ] يصور المخترع الفرنسي فيلار دي هونيكور مجموعة من الجيمبالات في دفتر رسوماته (انظر إلى اليمين). وفي أوائل العصر الحديث، كانت البوصلات الجافة تُعلق في الجيمبالات.

التطبيقات

في مجموعة من ثلاثة محاور دوارة مثبتة معًا، يوفر كل منها درجة من الحرية : الدوران، والميل، والانحراف.

الملاحة بالقصور الذاتي

في الملاحة بالقصور الذاتي، كما هو مطبق على السفن والغواصات، يلزم وجود ثلاثة محاور دوران على الأقل لضمان ثبات نظام الملاحة بالقصور الذاتي (الطاولة الثابتة) في الفضاء بالقصور الذاتي، مع تعويض التغيرات في انحراف السفينة وميلها ودورانها. في هذا التطبيق، تُجهز وحدة القياس بالقصور الذاتي (IMU) بثلاثة جيروسكوبات مثبتة بشكل متعامد لاستشعار الدوران حول جميع المحاور في الفضاء ثلاثي الأبعاد. تُضبط مخرجات الجيروسكوبات على الصفر بواسطة محركات دفع على كل محور دوران، للحفاظ على اتجاه وحدة القياس بالقصور الذاتي. ولتحقيق ذلك، تُمرر إشارات خطأ الجيروسكوب عبر " محللات " مثبتة على محاور الدوران الثلاثة: الدوران، والميل، والانحراف. تُجري هذه المحللات تحويلًا تلقائيًا للمصفوفة وفقًا لكل زاوية دوران، بحيث تُنقل عزم الدوران المطلوب إلى محور الدوران المناسب. يجب تحليل عزم دوران الانحراف عن طريق تحويلات الدوران والميل. لا تُقاس زاوية الدوران أبدًا. تُستخدم منصات استشعار مماثلة في الطائرات.

في أنظمة الملاحة بالقصور الذاتي، قد يحدث قفل جيمبال عندما يتسبب دوران المركبة في محاذاة حلقتين من حلقات الجيمبال الثلاث مع محاور ارتكازهما في مستوى واحد. وعند حدوث ذلك، يصبح من المستحيل الحفاظ على اتجاه منصة الاستشعار.

محركات الصواريخ

في أنظمة دفع المركبات الفضائية ، تُركّب محركات الصواريخ عادةً على زوج من المحاور الدوارة لتمكين محرك واحد من توجيه الدفع حول محوري الميل والانعراج؛ أو في بعض الأحيان يُزوّد ​​كل محرك بمحور واحد فقط. وللتحكم في الدوران، تُستخدم محركات مزدوجة بإشارات تحكم تفاضلية في الميل أو الانعراج لتوفير عزم الدوران حول محور دوران المركبة .

التصوير الفوتوغرافي والتصوير الرقمي

رجل يستخدم مثبت الكاميرا (جيمبال) للهاتف الذكي
كاميرا بيكر-نان لتتبع الأقمار الصناعية مثبتة على حامل ارتفاع-ارتفاع-سمت

تُستخدم حوامل الكاميرا أيضًا لتركيب كل شيء بدءًا من عدسات الكاميرا الصغيرة وحتى التلسكوبات الفوتوغرافية الكبيرة.

في معدات التصوير المحمولة، تُستخدم رؤوس جيمبال أحادية المحور لتوفير حركة متوازنة للكاميرا والعدسات. [ 21 ] يُعدّ هذا مفيدًا في تصوير الحياة البرية، وكذلك في أي حالة أخرى تُستخدم فيها عدسات تقريب طويلة وثقيلة: إذ يدور رأس الجيمبال العدسة حول مركز ثقلها ، مما يسمح بسهولة وسلاسة التحكم أثناء تتبع الأهداف المتحركة.

تُستخدم حوامل جيمبال كبيرة جدًا على شكل حوامل ارتفاع-ارتفاع ثنائية أو ثلاثية المحاور [ 22 ] في التصوير الفوتوغرافي عبر الأقمار الصناعية لأغراض التتبع.

تُستخدم أنظمة التثبيت الجيروسكوبية المزودة بمستشعرات متعددة أيضًا في تطبيقات المراقبة الجوية، بما في ذلك إنفاذ القانون الجوي، وفحص الأنابيب وخطوط الطاقة، ورسم الخرائط ، والاستخبارات والمراقبة والاستطلاع . وتشمل هذه المستشعرات التصوير الحراري ، وكاميرات الإضاءة النهارية والمنخفضة، بالإضافة إلى أجهزة تحديد المدى بالليزر ، وأجهزة الإضاءة . [ 23 ]

تُستخدم أنظمة جيمبال أيضًا في معدات البصريات العلمية. على سبيل المثال، تُستخدم لتدوير عينة من مادة ما حول محور لدراسة اعتماد خصائصها البصرية على الزاوية. [ 24 ]

الأفلام والفيديوهات

جهاز تثبيت الكاميرا NEWTON S2 للتحكم عن بعد والتثبيت ثلاثي المحاور لكاميرا RED، ومحركات عدسات Teradek وعدسة Angeniuex.
مثبت الكاميرا نيوتن إس 2 للتحكم عن بعد والتثبيت ثلاثي المحاور لكاميرا ريد ، ومحركات عدسات تيراديك وعدسات أنجينيو

تُستخدم مثبتات الكاميرا المحمولة ثلاثية المحاور في أنظمة التثبيت المصممة لمنح مصور الكاميرا حرية التصوير اليدوي دون اهتزاز أو ارتعاش الكاميرا. يوجد نوعان من هذه الأنظمة: ميكانيكية وميكانيكية.

تتكون أنظمة التثبيت الميكانيكية من قاعدة متحركة، تشمل المنصة العلوية التي تُثبّت عليها الكاميرا، وعمود قابل للتمديد في معظم الطرازات، مع وجود الشاشة والبطاريات في الأسفل لموازنة وزن الكاميرا. بهذه الطريقة، يبقى نظام Steadicam منتصبًا، ببساطة عن طريق جعل الجزء السفلي أثقل قليلًا من الجزء العلوي، مع دوران محوري عند نقطة التثبيت. هذا يجعل مركز ثقل النظام بأكمله، مهما كان وزنه، في متناول يد المشغل تمامًا، مما يسمح بتحكم دقيق وسلس في النظام بأكمله بأخف لمسة على نقطة التثبيت.

بفضل ثلاثة محركات عديمة الفرشاة ، تتميز مثبتات الكاميرا الآلية بقدرتها على الحفاظ على استواء الكاميرا على جميع المحاور أثناء تحريكها من قِبل المصور. تستجيب وحدة القياس بالقصور الذاتي (IMU) للحركة وتستخدم محركاتها الثلاثة المنفصلة لتثبيت الكاميرا. وبمساعدة الخوارزميات، يستطيع المثبت التمييز بين الحركة المقصودة، مثل التحريك الأفقي، ولقطات التتبع الناتجة عن الاهتزاز غير المرغوب فيه. وهذا ما يجعل الكاميرا تبدو وكأنها تطفو في الهواء، وهو تأثير كان يُحقق سابقًا باستخدام نظام Steadicam . يمكن تركيب مثبتات الكاميرا الآلية على السيارات والمركبات الأخرى، مثل الطائرات بدون طيار ، حيث تجعل الاهتزازات أو الحركات غير المتوقعة استخدام الحوامل الثلاثية أو غيرها من حوامل الكاميرا غير مناسب.

الساعات البحرية

يتأثر معدل عمل الكرونومتر البحري الميكانيكي باتجاهه. ولهذا السبب، كانت الكرونومترات تُركّب عادةً على محاور دوارة، لعزلها عن حركات اهتزاز السفينة في البحر.

الطائرات بدون طيار

نظام تثبيت الكاميرا في الطائرات المسيّرة هو آلية تثبيت تستخدم محركات كهربائية (عادةً محركات سيرفو بدون فرش) في محاور الانعراج والميل والدوران لعزل الكاميرا أو حمولة المستشعرات عن حركة الطائرة المسيّرة واهتزازها. [ 25 ] [ 26 ]   يضمن النظام ثبات الكاميرا عند مستوى محدد، مما ينتج عنه لقطات سلسة وعالية الجودة حتى أثناء المناورات السريعة أو في ظروف الرياح. يعتمد النظام على وحدة قياس القصور الذاتي (IMU) لتقدير حركة الطائرة المسيّرة واتجاهها بدقة [ 27 ] [ 28 ] [ 29 ] ، ووحدة تحكم في نظام التثبيت (GCU) تستخدم بيانات وحدة قياس القصور الذاتي وخوارزميات التحكم التناسبي التكاملي التفاضلي (PID) لضبط المحركات ديناميكيًا في الوقت الفعلي، مما يلغي الاضطرابات. [ 29 ] [ 30 ]

قفل جيمبال

نظام جيمبال بثلاثة محاور دوران. عندما يدور نظاما جيمبال حول نفس المحور، يفقد النظام درجة واحدة من درجات الحرية.

قفل جيمبال هو فقدان درجة واحدة من الحرية في آلية ثلاثية الأبعاد ذات ثلاثة محاور جيمبال، ويحدث ذلك عندما يتم دفع محاور اثنين من المحاور الثلاثة إلى تكوين متوازٍ، مما يؤدي إلى "قفل" النظام في الدوران في فضاء ثنائي الأبعاد متدهور.

إن كلمة "قفل" مضللة: فلا يوجد أي قيد على حركة المحاور؛ إذ لا تزال المحاور الثلاثة قادرة على الدوران بحرية حول محاور تعليقها. ومع ذلك، ونظرًا للتوازي بين محورين من محاور المحاور، فلا يوجد محور متاح لاستيعاب الدوران حول محور واحد.

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ نيدهام، جوزيف. (1986). العلم والحضارة في الصين: المجلد 4، الفيزياء والتكنولوجيا الفيزيائية؛ الجزء 2، الهندسة الميكانيكية . تايبيه: دار نشر كيفز بوكس ​​المحدودة. صفحة 229.
  2. ↑ فرانسيس سي. مون ، آلات ليوناردو دافنشي وفرانز رولو: حركيات الآلات من عصر النهضة إلى القرن العشرين ، ص 314، سبرينغر، 2007، رقم ISBN 1-4020-5598-6.
  3. 1 2 3 4 سارتون، جورج (1959). تاريخ العلوم: العلوم والثقافة الهلنستية في القرون الثلاثة الأخيرة قبل الميلاد . كامبريدج: مطبعة جامعة هارفارد. ص 349-350 . 
  4. ↑ كارتر، إرنست فرانك (1967). قاموس الاختراعات والاكتشافات . المكتبة الفلسفية. ص 74 . 
  5. ^ سيهير-ثوس، هانز-كريستوف. شميلز، فريدريش؛ أوكتور، إريك (2006). المفاصل العالمية وأعمدة الإدارة: التحليل والتصميم والتطبيقات . سبرينغر. ص. 1. رقم ISBN  978-3-540-30169-1.
  6. ↑ كريبس، روبرت إي.؛ كريبس، كارولين أ. (2003). التجارب العلمية الرائدة والاختراعات والاكتشافات في العالم القديم . دار غرينوود للنشر. ص 216. ISBN  978-0-313-31342-4.
  7. ↑ نيدهام، جوزيف. (1986). العلم والحضارة في الصين: المجلد 4، الفيزياء والتكنولوجيا الفيزيائية؛ الجزء 2، الهندسة الميكانيكية . تايبيه: دار نشر كيفز بوكس ​​المحدودة. ص 233.
  8. ↑ هاندلر، سارة (2001). الإشراق البسيط للأثاث الصيني الكلاسيكي . مطبعة جامعة كاليفورنيا (نُشر في 1 أكتوبر 2001). ص 308. ISBN  978-0520214842.
  9. ↑ نيدهام، جوزيف. (1986). العلم والحضارة في الصين: المجلد 4، الفيزياء والتكنولوجيا الفيزيائية؛ الجزء 2، الهندسة الميكانيكية . تايبيه: دار نشر كيفز بوكس ​​المحدودة. ص 233-234.
  10. ↑ نيدهام، جوزيف. (1986). العلم والحضارة في الصين: المجلد 4، الفيزياء والتكنولوجيا الفيزيائية؛ الجزء 2، الهندسة الميكانيكية . تايبيه: دار نشر كيفز بوكس ​​المحدودة. ص 234.
  11. ↑ نيدهام، جوزيف. (1986). العلم والحضارة في الصين: المجلد 4، الفيزياء والتكنولوجيا الفيزيائية؛ الجزء 2، الهندسة الميكانيكية . تايبيه: دار نشر كيفز بوكس ​​المحدودة. ص 234-235.
  12. ↑ نيدهام، جوزيف. (1986). العلم والحضارة في الصين: المجلد 4، الفيزياء والتكنولوجيا الفيزيائية؛ الجزء 2، الهندسة الميكانيكية . تايبيه: دار نشر كيفز بوكس ​​المحدودة. ص 236.
  13. ↑ هيل، د. ر. (1977). تاريخ التكنولوجيا . المجلد الثاني. ص 75.  
  14. ↑ كارا دي فو: " كتاب الأجهزة الهوائية والآلات الهيدروليكية لفيلون من بيزانس بعد إصدارات أكسفورد والقسطنطينية "، أكاديمية النقوش والفنون الجميلة: إشعار وإضافات المخطوطات. المكتبة الوطنية ، باريس 38 (1903)، الصفحات من 27 إلى 235
  15. ↑ سارتون، جورج. (1959). تاريخ العلوم: العلوم والثقافة الهلنستية في القرون الثلاثة الأخيرة قبل الميلاد. نيويورك: مكتبة نورتون، شركة نورتون وشركاه. SBN 393005267. ص 343-350.
  16. ↑ لويس، إم جيه تي (2001). أدوات المسح في اليونان وروما . مطبعة جامعة كامبريدج. ص 76 في الحاشية 45. ISBN  978-0-521-79297-4.
  17. ^ لويس، مجت (1997). حجر الرحى والمطرقة: أصول الطاقة المائية . ص 26 – 36. 
  18. ↑ ويلسون، أندرو (2002). "الآلات والطاقة والاقتصاد القديم". مجلة الدراسات الرومانية . 92 (7): 1-32 . doi : 10.1017/S0075435800032135 .
  19. ^ أثينايوس ميكانيكوس، “على الآلات” (“ Peri Mēchanēmatōn ”)، 32.1-33.3
  20. ↑ نيدهام، جوزيف. (1986). العلم والحضارة في الصين: المجلد 4، الفيزياء والتكنولوجيا الفيزيائية؛ الجزء 2، الهندسة الميكانيكية . تايبيه: دار نشر كيفز بوكس ​​المحدودة. ص 229، 231.
  21. ↑ "مثبتات جو برو المحمولة ثلاثية المحاور" . gimbalreview.com . GimbalReview. 2017. تم الاطلاع عليه بتاريخ 7 مايو 2017 .
  22. ↑ "مقالة" . المجلة السوفيتية للتكنولوجيا البصرية . 43 (3). الجمعية البصرية الأمريكية، المعهد الأمريكي للفيزياء: 119. 1976.
  23. ^ ديتش ، روي (2013). كاميرا ذات محورين محمولة جواً – دليل الواجهة .
  24. ^ بيهاري، نوبور. داش، سمروتي براساد؛ دانكاني، كارانكومار سي؛ بيرس ، جوشوا م. (2018/12/01). "نظام انحراف ثنائي المحور قابل للطباعة ثلاثي الأبعاد للقياسات الإلكترونية الضوئية" (PDF) . الميكاترونكس . 56 : 175– 187. دوى : 10.1016/j.mechatronics.2018.07.005 . ISSN 0957-4158 . S2CID 115286364 .  
  25. ↑ "محرك جيمبال GB2208 لكاميرات من فئة GoPro | سلس ودقيق" . تي موتور . تم الاطلاع عليه بتاريخ 21-12-2025 .
  26. ↑ The4. "محرك سيرفو صغير بدون فرشاة GB4310، محرك سيرفو مسطح مجوف لطائرة بدون طيار" . SteadyWin . تم الاطلاع عليه بتاريخ 21-12-2025 .{{cite web}}: صيانة CS1: الأسماء الرقمية: قائمة المؤلفين ( رابط )
  27. ↑ "وحدات القياس بالقصور الذاتي مقابل الجيروسكوبات: المزايا والعيوب" . تكنولوجيا الأنظمة غير المأهولة . تم الاطلاع عليه بتاريخ 21-12-2025 .
  28. ↑ "وحدة القياس بالقصور الذاتي (IMU) - مقدمة" . الملاحة المتقدمة . 13 فبراير 2023. تاريخ الاسترجاع: 21 ديسمبر 2025 .
  29. 1 2 مينديز، ماريا (10-10-2024). "كيف يعمل نظام الملاحة بالقصور الذاتي؟" . مختبرات القصور الذاتي . تم الاسترجاع في 21-12-2025 .
  30. ↑ "6 محركات جيمبال عالية الأداء مصممة للطائرات بدون طيار" . LIGPOWER . تم الاطلاع عليه بتاريخ 21-12-2025 .
  • شعار ويكيميديا ​​كومنزالوسائط المتعلقة بـ Gimbals على ويكيميديا ​​كومنز