شتاب سنج چیست؟

دستگاه شتاب سنج دارای مدل‌های یک محوری و چند محوری است که می توانند اندازه و جهت شتاب را به عنوان یک کمیت ‏برداری اندازه گیری کنند. از حسگرهای شتاب سنج  می توان برای تعیین موقعیت و آشکار سازی لرزش و ضربه استفاده ‏کرد‎ .‎شتاب سنج‌های ریزماشین کاری شده با روند رو به افزایشی در لوازم الکترونیکی قابل حمل و کنترلرهای بازی‌های ‏کامپیوتری برای تعیین موقعیت و به عنوان ورودی بازی‌های کامپیوتری به کار می روند‎.‎‏  

اصول فیزیکی و طرز کار شتاب سنج

دستگاه شتاب سنج مقدار شتاب صحیح را که شتاب نسبت به جسم در حال سقوط آزاد است را اندازه گیری می کند. شتاب صحیح ‏شتابی است که اجسام و اشخاص آن را احساس می کنند. معمولاً شتاب را برحسب نیروی گرانش ‎ 'g=9.8m/s^2'‎اندازه ‏گیری می کنند.
بر اساس اصل هم-ارزی در فیزیک در هر نقطه از فضا یک دستگاه مرجع مانا وجود ‏دارد، و شتاب سنج شتاب نسبت به آن دستگاه شتاب را اندازه می گیرد. به این صورت که فرض می‌کند اگر قرار بود در ‏دستگاه مرجع مانا بدون شتاب باشد هیچ نیرویی به آن وارد نمی شد و حال نیروهای وارد به خود را اندازه می گیرد و ‏شتابی را که باید داشته باشد حدس می زند‎.‎
شتاب صحیح شتابی است که با توجه به نیروهای وارد بر جسم محاسبه می شود. طبق اصل هم-ارزی تفاوتی بین جسمی که ‏در یک سفینهٔ فضایی با شتاب 1‏g ‎ حرکت می‌کند و جسمی که روی زمین قرار دارد و تحت نیروی گرانش 1‏g ‎ قرار دارد ‏وجود ندارد و تحت اثر همان نیروهایی قرار دارد که جسم در حال حرکت شتاب دار تحت اثر آن ها است. بنابراین شتاب ‏سنجی که در حالت ساکن نسبت به سطح زمین قرار گرفته است شتابی برابر 1‏g ‎ به سمت بالا را نشان خواهد داد، زیرا هر ‏نقطه روی سطح زمین نسبت به دستگاه مرجع لخت محلی به سمت بالا شتاب می گیرد. این دستگاه مرجع لخت محلی ‏دستگاه یک جسم در حال سقوط آزاد روی سطح زمین است‎.
برای اینکه مقدار شتاب خالص ناشی از حرکت را نسبت به ‏زمین به دست آوریم باید مقدار تفاوت شتابی که گرانش ایجاد می کند، را کم کرد. از آنجایی که نیروی گرانش موجب شتاب ‏صحیح نمی شود و شتاب سنج نسبت به شتاب گرانشی حساس نیست و مقدار آن را نمی تواند مستقیما اندازه گیری کند، این ‏موضوع به طور کلی در مورد هر میدان گرانشی درست است‎.‎
علت وجود اختلاف به دلیل گرانش را می توان با اصل هم ارزی انیشتین‎ ‎توجیه کرد. این اصل بیان می‌کند که اثر گرانش ‏بر اجسام از اثر شتاب دستگاه مرجع غیر قابل تفکیک است. هنگامی که در یک میدان گرانشی به وسیلهٔ اعمال نیروی ‏واکنش از طرف زمین و یا نیروی مخالف برابر دیگری به سمت بالا در حالت سکون هستیم، دستگاه مرجع برای یک ‏شتاب سنج (بدنهٔ شتاب سنج) نسبت به دستگاه مرجع متصل به جسم در حال سقوط آزاد دارای شتابی به سمت بالا است‎. اثر ‏شتاب این دستگاه مرجع از هر شتاب دیگری که روی ابزار اعمال می شود، غیر قابل تفکیک است. بنابراین یک شتاب سنج ‏نمی تواند تفاوت بین نشستن درون یک موشک روی سکوی پرتاب و حرکت در همان موشک با شتاب 1‏g در اعماق فضا ‏را تشخیص دهد‎.‎
به همین دلیل یک شتاب سنج در هنگام سقوط آزاد شتاب صفر را نشان می دهد‎. این موضوع شامل استفاده از شتاب سنج ‏درون یک سفینهٔ اکتشافی در اعماق فضا و به دور از هر جرم، سفینه ای که به دور زمین می گردد، هواپیمایی که در قوس ‏سهموی صفر‎ -g ‎یا هر مسیر سقوط آزاد دیگری در خلا را طی می کند، می شود. یک مثال برای این مورد سقوط آزاد از ‏ارتفاع زیاد با صرف نظر از اثر اتمسفری است‎.‎
اگرچه این موضوع در مورد یک سقوط غیر آزاد که مقاومت هوا موجب نیروی پس کشی و کاهش شتاب می‌شود صدق نمی ‏کند، ولی پس از اینکه به سرعت حد رسیدیم، شتاب سنج شتاب 1‏g ‎ به سمت بالا را احساس می کند. این شتاب ناشی از ‏نیروی پس کشی است. مثالی عملی از این مسئله هنگامی است که یک چترباز در حال سقوط به سرعت حد می رسد و دیگر ‏احساس نمی کند که در حال سقوط آزاد است و احساسی مشابه خوابیدن روی تختی از هوا دارد.

‎